Стенд для испытания криогенных насосов

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к стендам для испытания насосов на жидком криогенном рабочем теле, и может быть использована на железнодорожном транспорте и в других отраслях, преимущественно при ресурсных испытаниях насосов на сжиженном природном газе.
Известен стенд для испытания насосов с замкнутой гидросистемой циркуляции рабочей жидкости, содержащий испытуемый насос с приводом, всасывающей и напорной магистралями, соединенными с расходной емкостью и гидротурбиной, связанной с регулируемым потребителем энергии, который вместе с приводом выполнены в виде компрессора и газовой турбины, соединенных последовательно с образованием замкнутого газового контура, и к последнему подключена система подачи газа высокого давления, газовый контур снабжен теплообменником, камерой сгорания и питательным насосом, приводимым гидротурбиной, отличающийся тем, что стенд снабжен дополнительным теплообменником, размещенным между расходной емкостью и гидротурбиной, а теплообменник газового контура размещен на напорной магистрали. [SU979701A, 07.12.1982]
Недостатком этого стенда является низкое качество проведения испытаний из-за потерь большого количества рабочего тела (сжиженный природный газ) и выбросов в окружающую среду паров рабочего тела.
Известен стенд для испытания криогенных насосов, содержащий расходную емкость, подключенные к ней всасывающую и напорную магистрали, соединенные с испытуемым насосом, теплообменник, отличающийся тем, что дополнительно содержит нагружающее устройство, вспомогательную емкость и газовую горелку, при этом системы дренажа расходной и вспомогательной емкостей соединены с газовой горелкой, напорная магистраль снабжена трубопроводом, сообщенным с объемом вспомогательной емкости, теплообменник и нагружающее устройство размещены в напорной магистрали, теплообменник размещен перед трубопроводом. [RU2213264C2, 27.09.2000].
Недостатком этого стенда является низкое качество проведения испытаний, из-за потерь рабочего тела на захолаживании и выбросов в окружающую среду.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение качества проведения испытаний криогенных насосов на стенде, с одновременным снижением затрат топлива.
Технический результат достигается за счет того, что в стенде для испытания криогенных насосов, содержащий расходную емкость, всасывающую и напорную магистрали, соединенные с испытуемым насосом, теплообменник, нагружающее устройство, расходную и вспомогательную емкости, газовую горелку, которые соединены с системами дренажа, напорная магистраль, сообщенная с газовым объемом вспомогательной емкости, газовые объемы расходной и вспомогательной емкостей соединены с системами наддува, теплообменник и нагружающее устройство размещены в напорной магистрали перед трубопроводом, дополнительно установлены шесть пар датчиков давления и температуры, девять запорных органов, блок регистрации и управления, пульт управления, блок вычисления, резервный газовый баллон с запорным органом, компрессор с параллельными системами дренажа и соединен с газовой горелкой, расходная и вспомогательная емкости с системами наддува и дренажа, датчик частоты вращения на испытуемом насосе, один предохранительный орган на дренажной системе, резервный газовый баллон с запорным органом, который через систему дренажа соединен с входом в компрессор, а он свою очередь соединен с внутренним объемом расходной и вспомогательной емкостей, причем первая пара датчиков давления и температуры установлена на системе дренажа паров рабочего тела и газа наддува у выхода из расходной емкости, вторая - на выходе из резервного газового баллона, третья - на дренажной системе на выходе из вспомогательной емкости, четвертая - между теплообменником и нагружающим устройством на напорной магистрали, пятая и шестая на входе и выходе испытуемого насоса, а первый запорный орган установлен на питательном трубопроводе, между всасывающей и напорной магистралями, второй - на трубопроводе системы газового наддува из расходной емкости между пятым и девятым запорными органами, третий - между резервным газовым баллоном и дренажной системой, четвертый - на трубопроводе между резервным газовым баллоном и входом в компрессор, пятый - на трубопроводе, соединяющем резервный газовый баллон с выходом компрессора, шестой - на трубопроводе, который соединяет систему газового наддува вспомогательной емкости с входом в компрессор, седьмой - на трубопроводе системы газового наддува на выходе из компрессора, восьмой - на дренажной системе между резервным газовым баллоном и газовой горелкой, девятый - на трубопроводе, который соединяет вход в компрессор и систему газового наддува расходной емкости, причем все датчики давления и температуры, подключены к блоку вычисления, а блок регистрации и управления соединен с запорными органами.
Введение резервного газового баллона, компрессора, систем дренажа, датчиков давления и температуры, датчика частоты вращения, запорных органов совместно с блоком вычисления, пультом управления, блоком регистрации и управления, обеспечивает повышение качества испытания криогенных насосов, за счет более полного контроля использования рабочего тела и снижение выбросов в окружающую среду.
На чертеже представлена схема стенда для испытания криогенных насосов.
Стенд состоит из расходной емкости 1, всасывающей 2 и напорной 3 магистралей, испытуемый насос 4, теплообменник 5, нагружающее устройство 6, вспомогательную емкость 7 и газовую горелку 8, питательный трубопровод 9, трубопровод для заправки 10, систему газового наддува 11, систему дренажа паров рабочего тела и газа наддува 12, дренажный трубопровод 13, фильтр для очистки рабочего тела 14, трубопровод сообщенный с газовым объемом вспомогательной емкости 15, трубопровод 16, сливной трубопровод 17, систему газового наддува 18, систему дренажа паров 19, дренажный трубопровод 20, резервный газовый баллон 21, дренажную систему 22, компрессор 23, датчики сплошности 24, 25, датчик частоты вращения 26, расходомеры 27, 28, предохранительные органы 29, 30, 31, запорные органы 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, первый - 43, второй - 44, третий - 45, четвертый - 46, пятый - 47, шестой - 48, седьмой - 49, восьмой - 50, девятый - 51,первая пара датчиков давления и температуры - 52, 53, вторая - 54, 55, третья - 56, 57, четвертая - 58, 59, пятая - 60, 61, шестая - 62, 63, блок регистрации и управления (БРУ) - 64, пульт управления (ПУ) - 65, блок вычисления (БВ) 66.
Стенд работает следующим образом.
В исходном положении стенда все запорные и предохранительные органы закрыты, а нагружающее устройство открыто. По команде с пульта управления 65 открываются запорные органы 34, 35, 39, 43, в результате чего жидкое криогенное рабочее тело, например сжиженный природный газ, из хранилища через трубопроводы 9 и 10 начинает поступать в расходную емкость 1. Часть рабочего тела в ней испаряется, отдавая холод ей. Пары рабочего тела из ее газового объема через открытый клапан запорного органа 39 и трубопровод 12 и 13 поступают в газовую горелку 8 и сгорают. На выходе из расходной емкости 1 установлена первая пара датчиков температуры и давления 52 и 53, которые контролируют параметры рабочего тела. После окончания заправки расходной емкости 1 рабочим телом закрываются запорные органы 34, 35, 39, 43. Затем по команде с пульта управления открываются запорные органы 38, 44, 45, 46 и рабочее тело из резервного газового баллона 21 поступает на вход в компрессор 23, где давление рабочего тела повышается и через систему газового наддува 11 поступает на наддув расходной емкости 1. По команде с пульта управления 65 открываются запорные органы 32, 33, 35, 37, 41, 43 и в результате чего рабочее тело из расходной емкости 1 под давлением газа наддува, начинает поступать во всасывающую магистраль 2, а оттуда через испытуемый насос 4 - в напорную магистраль 3. Датчиками 24, 25 контролируется сплошность магистралей. Часть рабочего тела в них испаряется, отнимая тепло от них. Смесь жидкой и газообразной фаз рабочего тела через открытый клапан запорного органа 37 по трубопроводу 15 поступает во вспомогательную емкость 7. В ней жидкая фаза рабочего тела отделяется от его газообразной фазы и остается в ее жидкостном объеме, а газообразная фаза через открытый клапан запорного органа 41, систему дренажа 19 и дренажному трубопроводу 20 поступает в газовую горелку 8 и сгорает. На выходе из вспомогательной емкости установлена третья пара датчиков температуры и давления 56 и 57, которые контролируют параметры рабочего тела. После окончания захолаживания конструкции всасывающей 2 и напорной 3 магистралей и испытуемого насоса 4, то есть при понижении температуры внутренних полостей их до контрольного значения, открывается запорный орган 36, запускается испытуемый насос 4, включается в работу фильтр очистки рабочего тела 14, теплообменник 5 и нагружающее устройство 6. На выходе из теплообменника 5 установлена четвертая пара датчиков температуры и давления 58 и 59, которые контролируют параметры рабочего тела. В результате чего рабочее тело начинает охлаждаться в теплообменнике 5 жидким криогенным хладагентом, например, жидким азотом, начинает поступать во всасывающую магистраль 2. Изменение режимов работы испытуемого насоса 4 ведется нагружающим устройством 6. На входе и выходе испытуемого насоса 4 стоят шестая - 62, 63 и пятая - 60, 61 пары датчиков температуры и давления, которые контролируют параметры рабочего тела. Работу насоса контролируют с помощью датчика частоты вращения 26, а также расходомерами 27 и 28. После окончания испытания испытуемого насоса 4 закрываются запорные органы 35 и 38. Затем по команде с пульта 65 управления открываются запорные органы 38, 44, 45, 46 и рабочее тело из резервного газового баллона 21 поступает на вход в компрессор 23, где давление рабочего тела повышается и через систему газового наддува поступает на наддув расходной емкости 1. На выходе из резервного баллона 21 установлена вторая пара датчиков температуры и давления 54 и 55, которые контролируют параметры рабочего тела. Затем по команде с пульта 65 управления открываются запорные органы 34, 35, 43, в результате чего из расходной емкости под давлением наддува рабочее тело сливается в хранилище. Затем открываются запорные органы 40 и 42, в результате чего рабочее тело из вспомогательной емкости 7 под давлением газа наддува, сливается через трубопроводы 16, 17 и открытый клапан запорного органа 42 в хранилище. После опорожнения вспомогательной емкости 7 закрываются все запорные органы. Затем открываются запорные органы 40, 45, 47, 48 при повышении давления газа в расходной емкости 1 за счет испарения, газ из внутреннего объема расходной емкости 1 через запорные органы 38, 46 и систему газового наддува 11 поступает на вход в компрессор 23, где давление газа повышается и через запорные органы 45 и 47 поступает в резервный газовый баллон 21.
С пульта управления 65 подается сигнал, и открываются запорные органы 38, 47, 45, 40, при повышении давления газа в расходной емкости 1 за счет испарения, газ из внутреннего объема расходной емкости 1 через запорные органы 38, 51 и систему газового наддува 11 поступает на вход в компрессор 23, где давление газа повышается и через запорные органы 45 и 46 поступает в резервный газовый баллон 21. После этого закрываются запорные органы 38, 51.
Затем открываются запорные органы 40, 48, 45, 46, при повышении давления газа в вспомогательной емкости 7 за счет испарения, газ из внутреннего объема через запорные органы 40, 48 и систему газового наддува 18, поступает на вход в компрессор 23, где давление газа повышается и через запорные органы 45 и 50 поступает в резервный газовый баллон 21. После этого закрываются все запорные органы.
При увеличении давления газа во всей системе автоматически открываются предохранительные органы 29, 30, 31, вследствие чего газ поступает на свечу 8 и сбрасывается в окружающую среду. Все датчики давления и температуры, подключены к блоку регистрации и управления 64, а блок регистрации и управления, после получения команды от блока вычисления 66 управляет запорными органами
Предлагаемый стенд для испытания криогенных насосов на сжиженном криогенном топливе при использовании его для доводки новых образцов узлов и агрегатов обеспечивает снижение топливно-энергетических затрат на 20-25%, что в свою очередь снижает себестоимость испытаний на 20-25% и исключает загрязнение атмосферы криогенным топливом на 15-20%.