СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТУРБИН И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
TURBINE TEST METHOD AND TEST BENCH FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для проведения испытаний турбин.
Испытания паровых и газовых турбин энергетических и энергодвигательных установок на автономных стендах являются эффективным средством опережающей отработки новых технических решений, позволяющим сократить объем, стоимость и общие сроки работ по созданию новых энергоустановок.
Опыт создания современных энергоустановок свидетельствует о том, что большая часть экспериментальных работ переносится на поузловые испытания и их доводку.
Известен способ испытания турбин, основанный на поглощении и измерении мощности, развиваемой турбиной, с помощью гидротормоза, а частоту вращения ротора турбины в процессе испытаний, при заданных величинах параметров воздуха на входе в турбину, поддерживают путем изменения загрузки гидротормоза за счет регулирования количества подаваемой в балансирный статор гидротормоза воды, а заданное значение степени понижения давления турбины обеспечивают путем изменения положения дроссельной заслонки, установленной на выходном воздуховоде стенда (см. журнал Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. №33, статья В.М. Кофман «Методика и опыт определения КПД турбин ГТД по результатам их испытаний на турбинном стенде» Уфимский Государственный авиационный университет 2012 г. - Прототип).
Недостатком известного способа является необходимость проведения частых переборок и промывок внутренних полостей гидротормоза вследствие выпадения гидроокиси из технической воды, используемой в качестве рабочей жидкости, необходимость удаления отработавшей в гидротормозе во время испытаний рабочей жидкости, возможность возникновения кавитации гидротормоза при регулировании его загрузки и, следовательно, поломки гидротормоза.
Известен стенд для испытания насосов, содержащий бак, систему трубопроводов, измерительные приборы и устройства (см. патент РФ №2476723, MПK F04D 51/00, по заявке №2011124315/06 от 16.06.2011 г.).
Недостатком известного стенда является отсутствие возможности проведения испытаний турбин.
Известен стенд для испытаний турбин в натурных условиях, содержащий гидротормоз, ресивер подвода сжатого воздуха, камеру сгорания, испытываемую турбину (см. краткий курс лекций «Испытания и обеспечение надежности авиационных ГТД и энергетических установок», Григорьев В.А., Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет» Самара 2011 г.)).
Недостатком известного стенда является необходимость проведения частых переборок и промывок внутренних полостей гидротормоза вследствие выпадения гидроокиси из технической воды, используемой в качестве рабочей жидкости, отсутствие возможности изменения характеристик испытываемой турбины в широком диапазоне во время проведения испытаний, необходимость удаления отработавшей в гидротормозе во время испытаний рабочей жидкости.
Известен стенд для испытания газотурбинных двигателей, содержащий испытываемый двигатель, состоящий из турбины и системы подачи рабочего тела, гидротормоз с трубопроводами подачи и отведения воды, регулируемую задвижку и рейтерные весы (см. методические указания «Автоматизированная процедура метрологического анализа системы измерения крутящего момента при испытаниях ГТД» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева (национальный исследовательский университет)» Самара 2011 г. - Прототип).
Недостатком известного стенда является необходимость проведения частых переборок и промывок внутренних полостей гидротормоза вследствие выпадения гидроокиси из технической воды, используемой в качестве рабочей жидкости, отсутствие возможности изменения характеристик испытываемой турбины в широком диапазоне во время проведения испытаний, необходимость удаления отработавшей в гидротормозе во время испытаний рабочей жидкости, возможность возникновения кавитации гидротормоза при регулировании его загрузки и, следовательно, поломки гидротормоза.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является:
- исключение необходимости удаления отработавшей в гидротормозе во время испытаний рабочей жидкости;
- снижение периодичности регламентных работ с гидротормозом;
- создание возможности изменения характеристик испытываемой турбины в широком диапазоне во время проведения испытаний.
Данная техническая задача решается тем, что при известном способе испытания турбин, основанном на измерении поглощаемой гидротормозом мощности, развиваемой турбиной, и поддержании частоты вращения ротора испытываемой турбины в процессе испытаний, при заданных величинах параметров рабочего тела на входе в испытываемую турбину, за счет регулирования количества подаваемой в гидротормоз рабочей жидкости, согласно изобретению в качестве гидротормоза используют кинематически связанный с испытываемой турбиной жидкостный нагрузочный насос, расход выходящей рабочей жидкости из которого дросселируют и/или регулируют, изменяя его характеристики, а функционирование жидкостного нагрузочного насоса осуществляют по замкнутому циклу с возможностью работы с частичным сбросом и подводом рабочей жидкости в контур во время проведения испытаний, причем характеристики испытываемой турбины определяют по измеряемым характеристикам жидкостного нагрузочного насоса.
Способ осуществляется с помощью стенда, содержащего испытываемую турбину с системой подачи рабочего тела, гидротормоз с трубопроводами подачи и отведения рабочей жидкости, в котором согласно изобретению используется емкость с системой заправки рабочей жидкостью, всасывающую и нагнетательную магистрали жидкостного нагрузочного насоса с вмонтированной в них системой датчиков, отградуированных на показания мощности испытываемой турбины, при этом в нагнетательной магистрали установлено дросселирующее устройство и/или пакет дросселирующих устройств, а в качестве гидротормоза используется жидкостный нагрузочный насос, вал которого кинематически связан с испытываемой турбиной, причем рабочая жидкость в жидкостный нагрузочный насос подается по замкнутому циклу с возможностью ее частичного сброса и подвода в контур во время проведения испытаний.
Помимо того, для реализации способа согласно изобретению в качестве источника рабочего тела для испытываемой турбины используется парогенератор с системой подачи компонентов топлива и рабочей среды, например водородно-кислородный или метаново-кислородный.
Также для реализации способа согласно изобретению в нагнетательном трубопроводе нагрузочного насоса установлен регулятор расхода рабочей жидкости.
Кроме того, для реализации способа согласно изобретению в качестве рабочей жидкости в жидкостном нагрузочном насосе используется химически подготовленная вода.
Дополнительно, для реализации способа согласно изобретению в систему заправки емкости рабочей жидкостью включен блок ее химической подготовки.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря ей появляется возможность снизить периодичность регламентных работ с жидкостным нагрузочным насосом, используемым в качестве гидротормоза, исключить необходимость удаления отработавшей в гидротормозе во время испытаний рабочей жидкости, создать возможность изменения в широком диапазоне характеристик испытываемой турбины за счет изменения характеристик жидкостного нагрузочного насоса.
Принципиальная схема стенда для испытания турбин показана на фиг.1, где
1 - система заправки рабочей жидкостью емкости;
2 - блок химической подготовки рабочей жидкости;
3 - емкость;
4 - система наддува емкости с рабочей жидкостью;
5 - клапан;
6 - всасывающая магистраль;
7 - нагнетательная магистраль;
8 - жидкостный нагрузочный насос;
9 - система подачи рабочего тела в испытываемую турбину;
10 - испытываемая турбина;
11 - парогенератор;
12 - система подачи компонентов топлива и рабочей среды;
13 - пакет дросселирующих устройств;
14 - регулятор расхода рабочей жидкости;
15 - датчик давления;
16 - датчик температуры;
17 - датчик регистрации расхода рабочей жидкости;
18 - датчик вибрации;
19 - фильтр;
20 - клапан.
Стенд для испытания турбин состоит из системы заправки рабочей жидкостью 1 с блоком химической подготовки рабочей жидкости 2, емкости 3, системы наддува емкости с рабочей жидкостью 4, клапана 5, всасывающей 6 и нагнетательной 7 магистралей, жидкостного нагрузочного насоса 8, системы подачи рабочего тела 9 в испытываемую турбину 10, парогенератора 11, системы подачи компонентов топлива и рабочей среды 12, пакета дросселирующих устройств 13, регулятора расхода рабочей жидкости 14, датчиков давления, температуры, регистрации расхода рабочей жидкости и вибрации 15, 16, 17, 18, фильтра 19 и клапана 20.
Принцип работы стенда для испытаний турбин заключается в следующем.
Работа стенда для испытаний турбин начинается с того, что по системе заправки рабочей жидкостью 1 с использованием блока 2 химически подготовленная вода, используемая в качестве рабочей жидкости, поступает в емкость 3. После заполнения емкости 3 через систему 4 проводится ее наддув нейтральным газом до необходимого давления. Затем при открытии клапана 5 проводится заполнение рабочей жидкостью всасывающей 6, нагнетательной 7 магистралей и жидкостного нагрузочного насоса 8.
В дальнейшем по системе 9 рабочее тело подается на лопатки испытываемой турбины 10.
В качестве устройства генерации рабочего тела испытываемой турбины используется парогенератор 11 (например, водородо-кислородный или метаново-кислородный), в который по системе 12 подаются компоненты топлива и рабочей среды. При сгорании компонентов топлива в парогенераторе 11 и добавлении рабочей среды образуется высокотемпературный пар, который используется в качестве рабочего тела испытываемой турбины 10.
При попадании рабочего тела на лопатки испытываемой турбины 10 ее ротор, кинематически связанный с валом жидкостного нагрузочного насоса 8, приходит в движение. Крутящий момент с ротора испытываемой турбины 10 передается на вал жидкостного нагрузочного насоса 8, последний из которых используется в качестве гидротормоза.
Давление химически подготовленной воды после жидкостного нагрузочного насоса 8 срабатывается с использованием пакета дросселирующих устройств 13. Для изменения расхода химически подготовленной воды через жидкостный нагрузочный насос 8 в нагнетательном трубопроводе 7 установлен регулятор расхода рабочей жидкости 14. Характеристики жидкостного нагрузочного насоса 8 определяются согласно показаниям датчиков 15, 16, 17. Вибрационные характеристики жидкостного нагрузочного насоса 8 и испытываемой турбины 10 определяют датчиками 18. Фильтрация химически подготовленной воды при работе стенда осуществляется через фильтр 19, а ее слив из емкости 3 выполняется через клапан 20.
Для предотвращения перегрева рабочей жидкости в контуре жидкостного нагрузочного насоса 8 при длительных испытаниях турбины возможен ее частичный сброс при открытии клапана 20, а также подвод дополнительной через систему заправки рабочей жидкостью 1 емкости 3 во время проведения испытания.
Таким образом, благодаря использованию изобретения исключается необходимость удаления рабочей жидкости после жидкостного нагрузочного насоса, используемого в качестве гидротормоза, появляется возможность сократить межпусковые регламентные работы на испытательном стенде и при проведении испытаний получить расширенную характеристику испытываемой турбины.