Устройство для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки
DEVICE FOR GAS-DYNAMIC TESTING OF BLADED MACHINES OF A GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям лопаточных машин для газотурбинных установок, и может найти применение при проведении исследовательских работ и испытаний турбокомпрессоров в общем и энергетическом машиностроении.
в.пр.Σ
Одной из важных проблем при проектировании газотурбинных установок является исследование влияния неравномерности входящего потока на газодинамические характеристики лопаточных машин - вентилятора, компрессоров высокого и низкого давления. Для определения основных параметров лопаточных машин, таких, как степень повышения (понижения) полного давления π, адиабатический КПД η, суммарный приведенный расход воздуха G, и их соответствия результатам расчетных параметров в ходе математического моделирования, проводятся испытания лопаточных машин на специальных стендах, где создаются условия входного потока, приближенные к реальным, в частности, имитирующие входную окружную неравномерность.
Имитация входной окружной неравномерности потока осуществляется на этих стендах с помощью установленного на входе в проточную часть испытуемой лопаточной машины интерцептора, представляющего собой различной формы пластины или набор стандартных сеток, воздействующих на поток и обеспечивающих требуемые параметры неравномерности потока.
Известно устройство для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки, содержащее испытательную камеру, в которой установлена испытуемая лопаточная машина с образованием кольцевого проточного канала, источник сжатого воздуха с регулятором расхода, подключенный к входу проточного канала испытательной камеры, регулируемый интерцептор, расположенный в проточном канале перед испытуемой лопаточной машиной, устройство для регулирования интерцептора и датчики полного давления, расположенные за последней ступенью испытуемой лопаточной машины, (патент РФ №151732, от 09.01.2014 г.).
В известном устройстве для создания условий, наиболее приближенных к эксплуатационным, используются два дополнительных технологических компрессора с регулируемым приводом. Такое выполнение устройства для газодинамических испытаний усложняет его конструкцию, а также увеличивает временные и материальные затраты на проведение испытаний.
Известно устройство для газодинамических испытаний лопаточных машин, содержащее испытательную камеру, в которой установлена испытуемая лопаточная машина с образованием кольцевого проточного канала, источник сжатого воздуха с регулятором расхода, подключенный к входу проточного канала испытательной камеры, регулируемый интерцептор, установленный во впускном канале перед испытуемой лопаточной машиной, датчики статического и полного давления, установленные за последней ступенью испытуемой лопаточной машины, (патент КНР №110793801).
В известном устройстве для реализации различных параметров всасывания воздуха в закрытой секции испытательной камеры, в которой испытуемый компрессор входным отверстием сообщен с источником давления воздуха, используется дополнительный контур с открытой секцией, в которой дополнительный компрессор, установленный на одном приводном валу с испытуемым компрессором, впускным трубопроводом сообщен с атмосферой, причем во впускном трубопроводе установлены регулируемый интерцептор и выпрямительный элемент.
Достоверность и точность результатов испытаний в известном устройстве будет зависеть в большей части от идентичности конструктивного выполнения испытуемого компрессора в закрытой секции и дополнительного компрессора открытой секции, при этом наличие дополнительных агрегатов в известном устройстве существенно усложняет его конструкцию.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки, содержащее испытательную камеру, в которой установлена испытуемая лопаточная машина с образованием кольцевого проточного канала, источник сжатого воздуха с регулятором расхода воздуха, подключенный к входу проточного канала испытательной камеры, съемный интерцептор, расположенный в проточном канале перед испытуемой лопаточной машиной, устройство для настройки интерцептора, датчики статического давления, равномерно расположенные по наружному периметру проточного канала и установленные на входе в испытуемую лопаточную машину и за последней ее ступенью, и комбинированные гребенки с датчиками полного давления, установленные радиально в одних и тех же поперечных сечениях проточного канала с датчиками статического давления, причем датчики полного давления расположены на комбинированной гребенке равномерно в радиальном направлении проточного канала (патент РФ №2199727, 25.04.2001 г.).
В известном устройстве съемный интерцептор выполнен в виде корпуса с центральным проточным каналом и сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны, а устройство для настройки интерцептора представляет собой втулки с осевыми и радиальными отверстиями, установленные в сквозных отверстиях корпуса с возможностью осевого перемещения и вращения.
Такое выполнение интерцептора, установленного не в кольцевом, а в центральном проточном канале, изначально не позволяет воссоздать параметры входного потока, в частности, имитирующие входную окружную неравномерность потока, приближенные к реальным условиям работы лопаточной машины, в которой проточная часть входного канала выполняется кольцевой в его поперечном сечении.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в том, чтобы обеспечить при испытании лопаточных машин соответствие условий входного потока испытуемой лопаточной машины, имитирующих входную окружную неравномерность потока, реальным условиям потока на входе в работающую лопаточную машину.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и точности результатов испытаний при проектировании и моделировании лопаточных машин газотурбинной установки.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки, содержащее испытательную камеру, в которой установлена испытуемая лопаточная машина с образованием кольцевого проточного канала, источник сжатого воздуха с регулятором расхода воздуха, подключенный к входу проточного канала испытательной камеры, съемный интерцептор, расположенный в проточном канале перед испытуемой лопаточной машиной, устройство для настройки интерцептора, датчики статического давления, равномерно расположенные по наружному периметру проточного канала и установленные на входе в испытуемую лопаточную машину и за последней ее ступенью, и комбинированные гребенки с датчиками полного давления, установленные радиально в одних и тех же поперечных сечениях проточного канала с датчиками статического давления, причем датчики полного давления расположены на комбинированной гребенке равномерно в радиальном направлении проточного канала. Интерцептор представляет собой кольцевую сетчатую секторную вставку, выполненную по форме поперечного сечения проточного канала, а устройство для настройки интерцептора выполнено в виде аэродинамической трубы малой размерности с прямоугольным поперечным сечением внутреннего канала, содержащей вентилятор, подключенный к входу внутреннего канала, регулятор потока, установленный на входе внутреннего канала, прямоугольную рамочную проставку, размещенную в поперечном сечении внутреннего канала и имеющую направляющие поверхности для установки секторных фрагментов, аналогичных одному из секторов кольцевой сетчатой секторной вставки, а также датчики полного давления и датчики статического давления, установленные во внутреннем канале между рамочной проставкой и выходом внутреннего канала и размещенные в поперечном сечении внутреннего канала аналогично расположению таких же датчиков относительно одного из секторов кольцевой сетчатой секторной вставки, установленных на входе в испытуемую лопаточную машину.
Каждый секторный фрагмент, аналогичный одному из секторов кольцевой сетчатой секторной вставки, может быть выполнен, по меньшей мере, в двух вариантах исполнения, причем все варианты исполнения каждого секторного фрагмента соединены между собой торцевыми поверхностями с образованием сетчатой полосы, снабженной приводом для ее перемещения по направляющим поверхностям рамочной проставки.
Существенность отличительных признаков устройства для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение достоверности и точности результатов испытаний при проектировании и моделировании лопаточных машин газотурбинной установки.
Пример выполнения устройства для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки показан на чертежах, где:
на фиг. 1 изображен общий вид устройства для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки;
на фиг. 2 показан общий вид съемного интерцептора, представляющего собой кольцевую сетчатую секторную вставку и секторные фрагменты, аналогичные одному из секторов кольцевой сетчатой секторной вставки;
на фиг. 3 показано устройство для настройки интерцептора;
на фиг. 4 показан поперечный разрез внутреннего канала аэродинамической трубы в сечении А-А.
Устройство для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки содержит испытательную камеру 1, в которой установлена испытуемая лопаточная машина 2 с образованием кольцевого проточного канала 3, источник 4 сжатого воздуха с регулятором 5 расхода воздуха, подключенный к входу проточного канала 3 испытательной камеры 1, съемный интерцептор 6, расположенный в проточном канале 3 перед испытуемой лопаточной машиной 2, и устройство 7 для настройки интерцептора (фиг. 1).
В устройстве для газодинамических испытаний имеются датчики статического давления 8, равномерно расположенные по наружному периметру проточного канала 3 и установленные на входе в испытуемую лопаточную машину 2 и за последней ее ступенью, и комбинированные гребенки 9 с датчиками 10 полного давления, установленные радиально в одних и тех же поперечных сечениях проточного канала с датчиками 8 статического давления, причем датчики 10 полного давления расположены на комбинированной гребенке 9 равномерно в радиальном направлении проточного канала 3.
Съемный интерцептор 6 представляет собой кольцевую сетчатую секторную вставку 11, выполненную по форме поперечного сечения проточного канала 3 (фиг. 2). Геометрические параметры кольцевой сетчатой секторной вставки 11 и ее местоположение в проточном канале определяются расчетным путем, при этом в качестве исходных данных для расчетов принимают требуемые для проведения испытаний параметры неравномерности потока в проточном канале 3.
В связи с тем, что в теоретических расчетах, как правило, невозможно предусмотреть все факторы, связанные с конструктивными особенностями испытуемых лопаточных машин, изготовленная в соответствии с теоретически полученными результатами расчетов кольцевая сетчатая секторная вставка 11, практически всегда является только приближенным вариантом необходимой геометрии этой вставки, поэтому параметры неравномерности потока фактически не соответствуют заданным.
Для получения заданных параметров потока в проточном канале 3 необходимы корректировка и доводка конструктивного выполнения кольцевой сетчатой секторной вставки 11. Агрегаты лопаточных машин и даже их уменьшенные модели, имеют большие габаритные размеры, их испытания требуют значительных материальных и временных затрат, которые значительно увеличиваются при необходимости изготовления нескольких вариантов кольцевой сетчатой секторной вставки 11. При этом, оценка параметров неравномерности потока для каждого варианта кольцевой сетчатой секторной вставки 11 требует постановки большого количества приборов за съемным интерцептором 6, в частности, датчиков 8 статического давления и датчиков 10 полного давления, расположенных на комбинированных гребенках 9, что, в свою очередь, оказывает неучтенное влияние на параметры неравномерности потока в проточном канале 3, тем самым снижает точность определения в процессе испытаний газодинамических параметров испытуемых лопаточных машин 2 и искажает результаты испытаний в целом.
Для снижения материальных и временных затрат и повышения точности результатов испытаний корректировку и доводку оптимальной геометрии кольцевой сетчатой секторной вставки 11 осуществляют путем продувки отдельных ее секторов 12 (12-1, 12-2, … 12-n), преобразованных в соответствующие прямоугольные секторные фрагменты 13 (13-1, 13-2, … 13-n).
Для этого устройство 7 для настройки съемного интерцептора 6 выполнено в виде аэродинамической трубы 14 малой размерности (фиг. 3) с прямоугольным поперечным сечением внутреннего канала 15, содержащей вентилятор 16, подключенный к входу внутреннего канала 15, регулятор потока 17, установленный на входе внутреннего канала 15, прямоугольную рамочную проставку 18, размещенную в поперечном сечении внутреннего канала 15 и имеющую направляющие поверхности 19 для установки секторных фрагментов 13, аналогичных секторам 12 кольцевой сетчатой секторной вставки 11 (фиг. 4).
Во внутреннем канале 15 аэродинамической трубы 14 между рамочной проставкой 18 и выходом внутреннего канала 15 установлены датчики 20 полного давления и датчики 21 статического давления, размещенные в поперечном сечении внутреннего канала 15 аналогично расположению датчиков 8 статического давления и датчиков 10 полного давления в проточном канале 3 испытательной камеры 1.
Каждый из секторных фрагментов 13 - 13-1, 13-2 … 13-n, аналогичный одному из секторов 12 кольцевой сетчатой секторной вставки 11 съемного интерцептора 6, может быть выполнен, по меньшей мере, в двух вариантах исполнения, например, как показано фиг. 2 13-1а, 13-1б, 13-1в, причем все варианты исполнения каждого секторного фрагмента 13 (13-1, 13-2, … 13-n) могут быть соединены между собой торцевыми поверхностями с образованием сетчатой полосы 22, снабженной приводом 23 для ее перемещения по направляющим поверхностям 19 рамочной проставки 18.
Перед начальным этапом испытания секторных фрагментов 13 проводится настройка регулятора потока 17, установленного на входе во внутренний канал 15 аэродинамической трубы 14 и предназначенного для создания во внутреннем канале 15 воздушного потока с параметрами, соответствующими аналогичным параметрам потока, создаваемого при работе испытуемой лопаточной машины. Для контроля получаемых параметров при настройке регулятора потока 17 во внутреннем канале 15 по его ширине располагается установочная гребенка 24 с датчиками полного давления 25 и в том же сечении на боковых стенках внутреннего канала 15 - датчики статического давления 26, которые после настройки регулятора потока 17 снимаются.
Для проведения корректировки геометрии кольцевой сетчатой секторной вставки 11 сетчатая полоса 22, состоящая из нескольких вариантов исполнения секторного фрагмента 13, устанавливается во внутреннем канале 15 аэродинамической трубы 14 перпендикулярно направлению потока воздуха, с возможностью шагового перемещения по направляющим поверхностям 19 в процессе испытания с помощью привода 23. Для предотвращения перетечек воздуха в местах установки секторных фрагментов 13 предусмотрены уплотнительные элементы 27. Продувка сетчатой полосы 22, состоящей из нескольких вариантов исполнения одного из секторных фрагментов 13, осуществляется в установившемся потоке воздуха, создаваемом вентилятором 16 и регулятором потока 17, с параметрами потока, аналогичными параметрам потока, создаваемого при работе испытуемой лопаточной машины 2.
Для оценки влияния вариантов исполнения секторных фрагментов 13 на газодинамические характеристики потока воздуха во внутреннем канале 15, параметры потока измеряются с помощью датчиков полного давления 20 и датчиков статического давления 21.
По итогам продувки каждого варианта исполнения одного из секторных фрагментов 13 проводится сравнительный анализ влияния каждого варианта исполнения секторных фрагментов 13 на газодинамические характеристики потока воздуха во внутреннем канале 15 и соответствия полученных результатов теоретическим расчетным значениям параметров неравномерности потока воздуха перед испытуемой лопаточной машиной. По результатам сравнительного анализа отбирается тот вариант исполнения секторного фрагмента 13, результаты продувки которого наиболее полно соответствуют теоретическим расчетным значениям параметров потока воздуха.
При необходимости, может проводиться дополнительная корректировка геометрии отобранного варианта исполнения секторного фрагмента 13 с последующей продувкой и сравнительным анализом полученных результатов.
В том же порядке осуществляется испытание вариантов исполнения остальных секторных фрагментов 13 и отбор вариантов исполнения с наиболее оптимальной геометрией секторных фрагментов 13. По итогам анализа интегральных данных, полученных при исследовании на аэродинамической трубе 14 всех секторных фрагментов 13, аналогичных секторам 12 кольцевой сетчатой секторной вставки 11, формируется единая непрерывная картина предполагаемого поля неравномерности за исследуемым съемным интерцептором 6, сравнительный анализ которой с теоретическими расчетными значениями параметров неравномерности потока воздуха перед испытуемой лопаточной машиной позволяет сформировать окончательную геометрию кольцевой сетчатой секторной вставки 11.
Кольцевая сетчатая секторная вставка 11, изготовленная в результате исследований, проведенных на аэродинамической трубе 14, устанавливается в проточном канале 3 на входе в испытуемую лопаточную машину 2. Скоростной поток воздуха формируется источником сжатого воздуха 4, например, вентилятором с приводом и регулятором 5 расхода воздуха. Ротор испытуемой лопаточной машины 2 приводится во вращение от независимого привода 28.
Испытания лопаточной машины 2 с установленным съемным интерцептором 6 проводятся в соответствии с заранее утвержденной программой испытаний, которой предусмотрено определение параметров (характеристик) лопаточной машины на разных режимах ее работы, которые устанавливаются с помощью источника сжатого воздуха 4 и независимого привода 28.
Для оценки влияния входной неравномерности потока на газодинамические параметры испытуемой лопаточной машины 2 осуществляется измерение параметров потока воздуха на выходе из испытуемой лопаточной машины 2 с помощью датчиков статического давления 8 и датчиков полного давления 10.
Основными параметрами испытуемой лопаточной машины 2, определяемыми в ходе испытаний, являются приведенные обороты вращения, запас газодинамической устойчивости, адиабатический КПД и другие, получаемые в результате автоматической обработки по известным зависимостям показаний датчиков полного давления 10 и датчиков статического давления 8 на входе и выходе из испытуемой лопаточной машины 2. Каждый замер производится на определенных оборотах испытуемой лопаточной машины 2, регулируемых с помощью независимого привода 28, и при определенных величинах расхода воздуха от источника сжатого воздуха 4.
На основании полученных результатов формируются графики основных характеристик испытуемой лопаточной машины 2, которые сопоставляются с теоретически рассчитанными характеристиками.
По результатам сопоставительного анализа полученных экспериментальных характеристик работы испытуемой лопаточной машины 2 с имитацией входной неравномерности, формируемой съемным интерцептором 6, судят о соответствии лопаточной машины заявленным требованиям при заданных параметрах неравномерности входного потока.
Таким образом, оптимизация геометрии съемного интерцептора позволяет обеспечить соответствие условий входного потока испытуемой лопаточной машины, имитирующих входную окружную неравномерность потока, реальным условиям потока на входе в работающую лопаточную машину и тем самым повысить достоверность и точность результатов испытаний при проектировании и моделировании лопаточных машин газотурбинных установок. При этом, существенно снижаются временные и материальные затраты на проведение испытаний, повышает надежность и безопасность работы устройства для газодинамических испытаний лопаточных машин газотурбинной установки.