СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к испытанию машин, в частности турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания, и может найти применение при испытании турбин и компрессоров в общем и энергетическом машиностроении.
Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий регулируемый источник газового потока, устройства для создания пульсаций газового потока, измерения и управления, входную и выходную магистрали, кроме того оборудованный струйным смесителем. Регулируемый источник газового потока выполнен в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, причем в качестве регулируемого привода применяется двигатель внутреннего сгорания. Устройство для создания пульсаций газового потока выполнены в виде регулируемого дросселя с механизмом управления и отводного патрубка, имеющего вращающуюся заслонку с приводом. Входная и выходная магистрали соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, причем воздух из компрессора испытуемого турбокомпрессора поступает на вход технологического компрессора [а.с СССР 1511620, МПК G01М 15/00, опубл. 23.10.1989, БИ №39, авторы Носырев Д.Я. и др. "Стенд для испытания турбокомпрессора ДВС"].
Недостатком этого технического решения являются ограниченный диапазон режимов испытаний и высокие энергозатраты.
Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателей внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с турбиной и компрессором испытуемого турбокомпрессора, два технологических компрессора с регулируемыми приводами, регулируемый нагреватель, три рекуперативных теплообменника, регулируемый интерцептор, выполненный в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны, соединительную магистраль, три байпасные магистрали, четыре управляемые задвижки, устройства управления и измерения, причем входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров третьего, второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателем со входом турбины испытуемого турбокомпрессора, выходная магистраль сообщена своим выходом с атмосферой и соединена, посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и первого технологического компрессора с регулируемым приводом, с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, на входе которого установлен регулируемый интерцептор, выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью, на которой установлена первая управляемая задвижка, посредством первых контуров первого и третьего рекуперативных теплообменников соединена с входом регулируемого интерцептора, параллельно первым контурам первого и третьего рекуперативных теплообменников выполнена первая байпасная магистраль, на которой установлена вторая управляемая задвижка, вход регулируемого интерцептора соединен второй байпасной магистралью, на которой установлен второй технологический компрессор с регулируемым приводом и третья управляемая задвижка, с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, а выход второго технологического компрессора соединен с его входом посредством третьей байпасной магистрали, на которой установлена четвертая управляемая задвижка [Патент РФ №50306, МПК G01М 15/00, опубл. 08.08.2005, БИ №36, авторы Носырев Д.Я. и др. "Стенд для испытания турбокомпрессора две"].
Недостатками данного технического решения являются ограниченный диапазон режимов испытаний, высокие энергозатраты и низкая достоверность результатов испытаний.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа. Техническим результатом является повышение энергообеспеченности стенда, достоверности результатов испытаний, расширение диапазона режимов испытаний.
Технический результат достигается тем, что в стенд для испытания турбокомпрессора, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с турбиной и компрессором испытуемого турбокомпрессора, два технологических компрессора с регулируемыми приводами, регулируемый нагреватель, три рекуперативных теплообменника, регулируемый интерцептор, выполненный в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны, соединительную магистраль, три байпасные магистрали, четыре управляемые задвижки, устройства управления и измерения, причем входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров третьего, второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателем со входом турбины испытуемого турбокомпрессора, выходная магистраль сообщена своим выходом с атмосферой и соединена, посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и первого технологического компрессора с регулируемым приводом, с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, на входе которого установлен регулируемый интерцептор, выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью, на которой установлена первая управляемая задвижка, посредством первых контуров первого и третьего рекуперативных теплообменников соединена с входом регулируемого интерцептора, параллельно первым контурам первого и третьего рекуперативных теплообменников выполнена первая байпасная магистраль, на которой установлена вторая управляемая задвижка, вход регулируемого интерцептора соединен второй байпасной магистралью, на которой установлен второй технологический компрессор с регулируемым приводом и третья управляемая задвижка, с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, а выход второго технологического компрессора соединен с его входом посредством третьей байпасной магистрали, на которой установлена четвертая управляемая задвижка, согласно полезной модели дополнительно установлены три управляемые задвижки, датчики температуры, которые установлены на входе и выходе первого, второго и третьего рекуперативных теплообменников, датчики давления, которые установлены на входе и выходе технологического и испытуемого компрессоров, датчики частоты вращения, которые установлены на технологическом и испытуемом компрессорах и на регулируемых приводах, источник сжатого воздуха, блок индикации, блок расшифровки, блок анализа и принятия решения, задающее устройство и выходное устройство, причем выход задающего устройства соединен с блоком управления, выход которого соединен с управляемыми задвижками, приводами и блоком индикации, вход которого, в свою очередь, соединен с датчиками температуры, давления и частоты вращения, а его выход соединен с входом блока расшифровки, выход которого соединен с входом блока анализа и принятия решения, его один выход соединен с выходным устройством, а другой - с блоком управления.
Введение дополнительных датчиков, управляемых задвижек, источника сжатого воздуха, блоков индикации, расшифровки, анализа и принятия решения, задающего и выходного устройства позволяет повысить энергообеспеченность стенда, достоверность результатов испытаний, расширить диапазон режимов испытаний.
На фиг. представлена принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессора.
Стенд для испытания турбокомпрессора содержит технологический компрессор 1 с регулируемым приводом 2, испытуемый турбокомпрессор с компрессором 3 и турбиной 4, первый рекуперативный теплообменник 5, второй рекуперативный теплообменник 6, третий рекуперативный теплообменник 7, регулируемый нагреватель 8, регулируемый интерцептор 9, входную 10 и выходную 11 магистрали стенда, соединительную магистраль 12 с установленной в ней первой управляемой задвижкой 13, первую байпасную магистраль 14 с установленной в ней второй управляемой задвижкой 15. Вход регулируемого интерцептора соединен посредством второй байпасной магистрали 16 с установленным в ней вторым технологическим компрессором 17 с регулируемым приводом 18 и установленной третьей управляемой задвижкой 19, третью байпасную магистраль 20 с установленной в ней четвертой управляемой задвижкой 21. Также стенд содержит пятую управляемую задвижку 22, открывающую входную магистраль для пуска воздуха из атмосферы, блок управления 23, датчики температуры 24 и давления 25, источник сжатого воздуха 26 и шестую управляемую задвижку 27, блок индикации 28, блок расшифровки 29, блок анализа и принятия решения 30, выходное устройство 31, задающее устройство 32, седьмую управляемую задвижку 33.
к
к
тк
тк
тк
тк
к
к
Стенд работает следующим образом. При запуске стенда включают регулируемый привод 2 на малую частоту вращения и приводят во вращение технологический компрессор 1. При этом воздух из атмосферы по входной магистрали 10 через управляемую задвижку 22, приводимую в действие блоком управления 23, вторые контуры третьего 7 и второго 6 рекуперативных теплообменников поступает на второй контур первого 5 рекуперативного теплообменника, где смешивается с воздухом, поступающим от источника сжатого воздуха 26 через управляемую задвижку 27, повышая тем самым расход воздуха поступающего на вход турбины 4 испытуемого турбокомпрессора. Далее через регулируемый нагреватель 8, турбину 4 испытуемого турбокомпрессора, соединительную магистраль 12, открытую первую управляемую задвижку 13 (вторая управляемая задвижка 15 при этом закрыта), первый контур первого 5 и третьего 7 рекуперативных теплообменников, регулируемый интерцептор 9 и компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора поступает на вход технологического компрессора 1. При этом давление Р и температура Т воздуха на входе в технологический компрессор 1 понижаются из-за потерь давления в элементах газовоздушного тракта стенда и расширения на турбине 4. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, в результате чего давление Р и температура Т на выходе из технологического компрессора 1 увеличиваются. Давление Р и температура Т на выходе из технологического компрессора 1 связаны с давлением Р и температурой Т на входе (на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями:
тк
где π - степень повышения давления технологического компрессора 1 (является функцией частоты вращения); n - показатель политропы сжатия (для воздуха в адиабатном процессе сжатия n=k=1,4).
к
0
к
0
0
0
При запуске Р<Р и Т≈Т, где Р и Т - параметры атмосферного воздуха на входе во входную магистраль 10.
тк
0
тк
0
тк
тк
т
т
1
1
При этом на выходе из технологического компрессора 1 Р>Р, Т>Т. Воздух с повышенным давлением Р и температурой Т после выхода из технологического компрессора 1 поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника 6 и по выходной магистрали 11 через шестую управляемую задвижку 27 отводится в атмосферу. Одновременно с процессом сжатия воздуха в технологическом компрессоре 1 происходит расширение воздуха в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора. Параметры воздуха на входе в турбину 4 давление Р и температура Т связаны параметрами воздуха на выходе из турбины 4 Р и Т известными из термодинамики соотношениями:
т
где π - степень понижения давления в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора; n - показатель политропы расширения (для воздуха в адиабатном процессе расширения n=k=1,4).
Т
0
Т
0
На запуске Р≈Р, Т≈Т.
1
1
к
к
1
1
к
к
Воздух при расширении в турбине 4 совершает работу. Ротор турбокомпрессора приходит во вращение и поступающий на вход компрессора 3 воздух с параметрами P и T сжимается в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора до параметров Р и Т. При этом параметры воздуха на входе в компрессор 3 P и T и на выходе из компрессора 3 Р и Т связаны между собой известными из термодинамики соотношениями:
к
где π - степень повышения давления в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора (зависит от частоты вращения); n - показатель политропы сжатия.
т
т
1
1
1
0
Условно принято, что в технологическом компрессоре 1, компрессора 3 и турбине 4 испытуемого турбокомпрессора показатели политропы равны. По мере повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора, увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и одновременно включают регулируемый подогреватель 8. Температура воздуха Т на входе в турбину 4 увеличивается, увеличивается степень понижения давления в турбине π и работа, совершаемая воздухом при расширении в турбине 4. Давление воздуха P на входе в компрессор 3 повышается, температура воздуха Т на входе в компрессор 3 после отвода тепла в первом рекуперативном теплообменнике 5 и третьем рекуперативном теплообменнике 7 понижается, но остается выше температуры атмосферного воздуха (T>T).
к
к
к
1
0
В компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора воздух сжимается, давление Р и температура Т увеличиваются, но давление Р остается ниже давления атмосферного воздуха (Р>Р).
к
к
тк
тк
тк
0
тк
0
В технологическом компрессоре 1 давление Р и температура Т повышаются до Р и Т, при этом Р>Р и Т>Т. После сжатия в технологическом компрессоре 1 отработавший воздух передает тепло воздуху, поступающему на вход турбины 4, во втором рекуперативном теплообменнике 6 и отводится по выходной магистрали 11 через седьмую управляемую задвижку 33 в атмосферу.
Для имитации и воспроизведения предпомпажных и помпажных режимов, связанных с уменьшением расхода воздуха через компрессор испытуемого турбокомпрессора открывают четвертую управляемую задвижку 21 в третьей байпасной магистрали 20, включают регулируемый привод 18 второго технологического компрессора 17 и плавно открывают третью управляемую задвижку 19 во второй байпасной магистрали 16 и, прикрывая четвертую управляемую задвижку 21, перепускают воздух с входа компрессора 3 на выход и устанавливают необходимый режим.
1
1
к
к
тк
0
тк
0
При работе стенда без подогрева воздуха в регулируемом нагревателе 8, закрывают первую управляемую задвижку 13 в соединительной магистрали 12 и открывают вторую управляемую задвижку 15 в первой байпасной магистрали 14. Включают регулируемый привод 2 технологического компрессора 1. При этом воздух из атмосферы по входной магистрали 10 через пятую управляемую задвижку 22 поступает во второй контур третьего рекуперативного теплообменника 7, второй контур второго рекуперативного теплообменника 6, проходит через второй контур первого рекуперативного теплообменника 5, где смешивается с воздухом, поступающим от источника сжатого воздуха 26 через шестую управляемую задвижку 27, повышая тем самым расход воздуха поступающего на вход турбины 4 испытуемого турбокомпрессора, далее через регулируемый нагреватель 8 без дополнительного нагрева поступает на вход в турбину 4 испытуемого турбокомпрессора. В турбине 4 воздух расширяется, совершает работу и приводит во вращение ротор турбокомпрессора. Давление Р и температура T воздуха понижаются. После выхода из турбины 4 воздух по первой байпасной магистрали 14 с открытой второй управляемой задвижкой 15 через центральный канал регулируемого интерцептора 9 поступает на вход компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора, где сжимается. Давление Р и температура Т повышаются. Воздух с этими параметрами поступает на вход технологического компрессора 1, где сжимается до давления Р>Р  и температуры Т>Т. После сжатия в технологическом компрессоре 1 отработавший воздух во втором рекуперативном теплообменнике 6 отдает тепло воздуху, поступающему на вход турбины 4, и отводится по выходной магистрали 11 через седьмую управляемую задвижку 33 в атмосферу.
Для имитации и воспроизведения предпомпажных и помпажных режимов, связанных с уменьшением расхода воздуха через компрессор испытуемого турбокомпрессора открывают четвертую управляемую задвижку 21 в третьей байпасной магистрали 20, включают регулируемый привод 18 второго технологического компрессора 17 и плавно открывают третью управляемую задвижку 19 во второй байпасной магистрали 16 и, прикрывая четвертую управляемую задвижку 21, перепускают воздух с входа компрессора 3 на выход и устанавливают необходимый режим. Необходимый температурный режим на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора устанавливается с помощью первой и второй управляемых задвижек 13 и 15.
Для изменения режима работы испытуемого турбокомпрессора изменяют частоту вращения регулируемого привода 2, количество теплоты, подводимое к воздуху в регулируемом нагревателе 8, количество воздуха, подаваемого от источника сжатого воздуха 26 через шестую управляемую задвижку 27 и из атмосферы через пятую управляемую задвижку 22, а также регулируя давление воздуха в выходной магистрали 11 седьмой управляемой задвижкой 33.
При подаче воздуха по входной магистрали 10 через пятую регулируемую задвижку 22 прикрываем седьмую регулируемую задвижку 33 на выходной магистрали 11. В результате повышается давление на выходе технологического компрессора 1 и его входе, а также на выходах компрессора 3 и турбины 4. За счет этого снижается перепад давления на турбине 4, снижается мощность турбины 4 и частота вращения компрессора 3, что дает возможность испытания турбокомпрессора во всем диапазоне эксплуатационных режимов, в т.ч. и на холостом ходу.
Блок управления 23 воздействует на все управляемые задвижки 13, 15, 19, 21, 22, 27 и 33, управляемые приводы 2 и 18, регулируемый интерцептор 9, регулируемый нагреватель 8. Рабочие параметры поступают на блок управления 23 с задающего устройства 32.
Для получения достоверной информации на стенде для испытания турбокомпрессора на входах и выходах рекуперативных теплообменников 5, 6 и 7 установлены датчики температуры 24, на входе и выходах технологического и испытуемых компрессоров установлены датчики давления 25, а датчики частоты вращения (на фиг. не показаны) установлены на технологическом и испытуемом компрессорах и на регулируемых приводах. Информация со всех датчиков температуры 24, давления 25 и частоты вращения поступает на блок индикации 28, а далее на блок расшифровки 29, который обрабатывает полученную информацию и передает ее на блок анализа и принятия решения 30 и далее на выходное устройство 31 и блок управления 23.
Такое выполнение стенда повышает энергообеспеченность стенда, достоверность результатов испытаний, расширяет диапазон режимов испытаний.
Предлагаемый стенд позволяет снизить затраты электроэнергии до 30 процентов, повысить мощность на 10-15 процентов, благодаря дополнительному источнику воздуха и приблизить условия испытания турбокомпрессора по проверке основных параметров к реальным, благодаря дополнительным блокам измерения. Одновременно улучшаются условия труда на стенде, а также уменьшается загрязнение окружающей среды в 1,5-2 раза из-за рекуперации теплоты отработавших газов.