СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно, к стендам для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания и может найти применение при создании систем для комплексных испытаний турбокомпрессоров дизельных двигателей автотракторной техники лесопромышленного комплекса.
Известен стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания, содержащий средства для холодной прокрутки и балансировки турбокомпрессора в сборе на собственных опорах и контрольно-измерительную аппаратуру (см. Стенд для динамической балансировки турбокомпрессоров. Производитель ООО Мелитопольский завод турбокомпрессоров «МТЗк - Турбоком», Украина, Запорожская обл., г.Мелитополь, ул. Карла Маркса, 27, ).
Известный стенд предназначен для холодных испытаний турбокомпрессоров и содержит станок БВИ-03-09Т для устранения динамической неуравновешенности роторов турбокомпрессоров. Контрольно-измерительная аппаратура стенда включает измерительный прибор ПБ-02М с микропроцессором и жидкокристаллическим индикатором параметров вращения ротора. Недостатком известного стенда является невозможность испытания турбокомпрессоров при горячей обкатке во всем диапазоне рабочих режимов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания, содержащий средства для горячих испытаний и контроля характеристик турбокомпрессоров (см. Стенд для испытания турбокомпрессоров. Производитель НИН ООО «АгроМаркет», Украина, Харьковская обл., г.Дергачи, ул. Петровского, 230,  - прототип).
Известный стенд представляет собой безмоторную установку для испытаний различных модификаций турбокомпрессоров и моделирования режимов работы, соответствующих режимам работы на двигателе.
Стенд содержит газо-воздушную, масляную и топливную системы. В данном стенде компрессор приводится во вращение турбиной, рабочим телом для которой служат горячие газы с температурой 200-800°С или сжатый воздух с температурой 50-70°С.
Возможность применения известного оборудования для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания осложняется недостатком средств для выявления и обработки основных технических параметров испытываемого турбокомпрессора в реальном времени, в том числе, в условиях рядовых эксплуатационных мастерских. Кроме того, известный стенд достаточно сложен в эксплуатации при испытаниях большого числа турбокомпрессоров различных производителей из-за несовершенной технологии их размещения и фиксации на стенде, а также неполноты исходных данных для анализа результатов испытаний.
Решаемой задачей полезной модели является создание эффективного, удобного в эксплуатации и сравнительно простого в исполнении стенда для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания. При этом должна быть реализована возможность испытаний наиболее распространенных типов турбокомпрессоров на основных режимах работы для выработки практических рекомендаций по восстановлению и совершенствованию их эксплуатационных характеристик. Дополнительно к указанной, решается задача создания автоматической системы для выявления технических параметров испытываемого турбокомпрессора в реальном масштабе времени с использованием современной измерительной техники и аппаратуры отображения информации.
Указанная задача решается тем, что в стенде для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания, содержащем средства для горячих испытаний и контроля параметров турбокомпрессоров, согласно полезной модели, стенд содержит установленные на его корпусе патрубки для подвода к испытываемому турбокомпрессору воздуха и отвода уходящих газов, съемный обводной U-образный канал, соединяющий выходной патрубок компрессора с входным патрубком турбины турбокомпрессора, и камеру сгорания для сжигания углеводородного топлива, размещенную в ветви обводного канала перед входным патрубком турбины, причем система запуска турбокомпрессора выполнена с возможностью раскрутки турбины воздушным потоком от стороннего компрессора, выход системы подачи топлива соединен через регулятор расхода топлива с топливной форсункой в камере сгорания, выход системы подачи масла соединен через регулятор расхода масла с каналом подвода масла к подшипниковому узлу турбокомпрессора, а средства для контроля параметров турбокомпрессора включают датчик скорости вращения ротора, датчики температуры, давления и расхода топлива и масла, газо-воздушный тракт стенда снабжен датчиками температуры и давления среды на входе и выходе компрессора и турбины, при этом выходы указанных датчиков соединены через многоканальный усилитель с блоком управления, входящего в состав пульта управления.
Кроме того, патрубки для подвода к испытываемому турбокомпрессору воздуха и отвода уходящих газов и съемный обводной U-образный канал стенда снабжены быстросъемными фланцевыми соединениями с набором крепежных приспособлений и проставок для установки в рабочее положение турбокомпрессоров различных производителей, система холодного запуска выполнена в виде сопла, размещенного в обводном канале в области камеры сгорания и соединенного с выходом стороннего компрессора, датчики давления выполнены с возможностью формирования электрического выходного сигнала одновременно с отображением показаний манометрами, а датчик скорости вращения ротора выполнен совмещенным с датчиком вибраций турбокомпрессора.
Такое выполнение стенда позволяет решить поставленную задачу создания эффективного и удобного в эксплуатации универсального стенда для испытания различных типов турбокомпрессоров карбюраторных и дизельных двигателей с выработкой практических рекомендаций по совершенствованию их эксплуатационных характеристик.
Указанное выполнение средств для проведения испытаний турбокомпрессора, включающих обводной U-образный канал с камерой сгорания, патрубков для подвода воздуха и отвода уходящих газов, снабженных необходимыми фланцевыми соединениями с набором проставок, обеспечивает быстрый монтаж различных видов турбокомпрессоров в положение для испытаний, удобство эксплуатации и результативность использования стенда. Оснащение стенда набором указанных датчиков обеспечивает максимальный объем исходной и текущей информации о состоянии систем стенда и турбокомпрессора. При этом повышается эффективность предложенного устройства, в том числе, за счет использования современной техники преобразования полезных сигналов. Это позволяет решить задачу автоматизации испытаний и совершенствования характеристик турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания.
На фиг.1 показана принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессоров дизельного двигателя, на фиг.2 дана его конструктивная схема.
Стенд для испытания турбокомпрессора ТКР-7Н2А дизельного двигателя Д-245 содержит установленные на его корпусе 1 патрубки 2, 3 для подвода к испытываемому турбокомпрессору 4 воздуха и отвода уходящих газов.
Съемный обводной U-образный канал 5 соединяет выходной патрубок компрессора 6 с входным патрубком турбины 7 турбокомпрессора 4. Камера сгорания 8 для сжигания углеводородного топлива размещена в ветви обводного канала 5 перед входным патрубком турбины 7. Система запуска турбокомпрессора 4 выполнена с возможностью раскрутки турбины 7 воздушным потоком от стороннего компрессора (не показан) посредством сопла 9, размещенного в обводном канале 5 в области камеры сгорания 8. Выход системы 10 подачи топлива соединен через регулятор 11 расхода топлива с топливной форсункой 12 в камере сгорания 8. Выход системы 13 подачи масла соединен через регулятор 14 расхода масла с каналом 15 подвода масла к подшипниковому узлу 16 турбокомпрессора.
На фиг.1 поз.17, 18 обозначены свеча и система зажигания топливовоздушной смеси в камере сгорания 8. Поз. 19 обозначены соединительные фланцы между частями турбокомпрессора 4 и патрубками 2, 3 и обводного канала 5. Соединительные фланцы 19 выполнены быстросъемными и снабжены набором проставок (не показаны) для установки в рабочее положение турбокомпрессоров различных производителей, имеющих другие посадочные размеры. В качестве быстросъемных могут быть использованы фланцы с болтовым, байонетным, замковым или иным типом соединения. На фиг.1 и фиг.2 показаны соединительные фланцы с минимальным числом шпилек или болтов для быстрой взаимной фиксации и герметизации патрубков и частей турбокомпрессора 4.
Средства для контроля параметров турбокомпрессора 4 включают датчик 20 скорости вращения ротора, совмещенный с датчиком вибраций турбокомпрессора, датчики 21, 22, 23 температуры, давления и расхода топлива и датчики 24, 25, 26 температуры, давления и расхода масла. Газовоздушный тракт стенда снабжен соответственно датчиками температуры 27, 28 и давления 29, 30 воздуха на входе и выходе компрессора 6, а также датчиками температуры 31, 32 и давления 33, 34 газа на входе и выходе турбины 7. Выходы указанных датчиков соединены через многоканальный усилитель 35 с входами микропроцессора блока управления 36, входящего в состав пульта управления 37. Датчики давления в данном стенде выполнены с возможностью формирования электрического выходного сигнала одновременно с отображением показаний манометрами на пульте управления 37. Корпус 1 стенда состоит из станины сварной конструкции, снабженной верхней плитой и креплениями (не показаны) для фиксации турбокомпрессора 4 патрубков 2, 3 и обводного канала 5. Последний вместе с камерой сгорания 8 размещен внутри корпуса 1 ниже верхней плиты. Корпус 1 стенда, как правило, размещен в отдельном испытательном помещении или боксе, а пульт управления - в другом помещении, в котором операторы осуществляют контроль за данными испытаниями.
Пульт управления 37 выполнен в виде сварного каркаса, обшитого металлическими листами и снабженного съемными панелями для монтажа электронного блока управления 36 и электротехнического оборудования. На лицевой панели пульта 37 расположены средства для ручного или полуавтоматического управления системами 10, 13, 18 топливоподачи, подачи масла, зажигания топливовоздушной смеси и регуляторами 11, 14 расхода топлива и масла. Кроме того, на панели пульта 37 размещены контрольно-измерительные приборы для отображения указанных параметров турбокомпрессора 4 на различных режимах его работы.
Система 10 подачи топлива включает топливный бак, топливный насос с электроприводом постоянного тока, фильтры грубой и тонкой очистки, запорно-регулирующую аппаратуру, топливопроводы (не показаны) и упомянутые датчики измерения температуры, давления и расхода топлива. Система 13 подачи масла включает масляный бак, масляный насос с электроприводом, гидроаппаратура, фильтры грубой и тонкой очистки, электронагревательные элементы (не показаны) и упомянутые датчики измерения температуры, давления и расхода масла.
Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания функционирует следующим образом.
Для испытания турбокомпрессора ТКР-7Н2А дизельного двигателя Д-245 турбокомпрессор устанавливают на горизонтальной верхней плите корпуса 1 предложенного стенда. Быстросъемные соединительные фланцы 19 патрубков 2, 3 снабжены проставками для соединения с конкретным турбокомпрессором, который жестко фиксируют на верхней плите с помощью упомянутых крепежных приспособлений. При этом входной воздушный и выходной газовый патрубки испытываемого турбокомпрессора 4 должны быть сочленены с патрубками 2, 3 для подвода к нему воздуха из сравнительно отдаленной области помещения и отвода уходящих газов через протяженный теплоизолированный газовод (не показан) за пределы испытательного помещения или бокса.
Затем к нижним патрубкам турбокомпрессора 4 подсоединяют фланцы съемного обводного U-образный канала 5. Этим формируется вспомогательная часть газо-воздушного тракта от выходного патрубка компрессора 6 к входному патрубку турбины 7 турбокомпрессора 4. Камера сгорания 8 для сжигания углеводородного топлива, смонтированная в правой ветви обводного канала 5, обеспечивает подвод горячих газов непосредственно к входному патрубку турбины 7. Перед проведением горячих испытаний турбокомпрессора 4 необходимо обеспечить его холодный запуск. Для этого используется высокоскоростной воздушный поток от стороннего компрессора.
Раскрутка турбины 7 обеспечивается посредством воздушной струи, выходящей под давлением из суживающего сопла 9, вваренного в обводной канал 5 по центру камеры сгорания 8. В данном случае возможно провести балансировочные испытания турбокомпрессора 4 на низких (6-30 тыс.об/мин) и высоких (60-160 тыс.об/мин) оборотах ротора. При этом формируются сигналы от датчика 20 скорости вращения ротора и от датчиков газо-воздушного тракта 27-34, сигналы от которых поступают через многоканальный усилитель 35 к входам микропроцессора блока управления 36. Аналоговые сигналы от указанных датчиков преобразуются в цифровую форму в АЦП микропроцессора для отображения параметров турбокомпрессора на приборной панели пульта управления 37, а также для выработки сигналов управления на внешний регулятор (не показан) для изменения расхода воздуха через сопло 9.
Посредством повторных операций холодной прокрутки турбокомпрессора 4 решаются задачи дефектации его узлов для последующего ремонта или замены, доводки параметров испытываемого турбокомпрессора до нормативных и его подготовки к горячим испытаниям с подачей топливно-воздушной смеси в камеру сгорания 8 стенда.
Для горячего запуска турбокомпрессора в камеру сгорания 8 подают топливо через топливную форсунку 12 из системы 10 через регулятор 11 расхода. Величина расхода топлива в начале запуска и на последующих режимах должна соответствовать нормативным значениям рабочей характеристики турбокомпрессора данного типа. Перед холодным и горячим запусками через канал 15 под заданным давлением подводят масло к подшипниковому узлу 16 турбокомпрессора 4 от системы 13 через регулятор расхода 14.
После достижения необходимых оборотов ротора турбокомпрессора 4 при холодном запуске и достижении заданного значения обогащения топливовоздушной смеси в камере сгорания 8 блок управления 36 формирует управляющий сигнал на запуск системы 18 зажигания для подачи рабочего напряжения зажигания на свечу 17. Происходит возгорание топливовоздушной смеси, продукты сгорания поступают на вход турбины 7, обеспечивая вращение колеса компрессора 6, нагнетающего свежий воздух в камеру сгорания 8. После выхода турбокомпрессора на режим холостого хода отключают подачу воздуха от стороннего компрессора через сопло 9. Указанные средства контроля параметров турбокомпрессора 4 обеспечивают измерение с заданной точностью скорости вращения ротора, температуры, давления и расхода топлива и масла. Датчики в газо-воздушном тракте стенда, в свою очередь, обеспечивают измерение температуры и давления воздуха на входе и выходе компрессора 6 и турбины 7 турбокомпрессора 4.
Выходные аналоговые сигналы от указанных датчиков усиливаются в многоканальном усилителе 35 и поступают на входной порт микропроцессора блока управления 36 для оцифровки и выработки сигналов управления системами и агрегатами стенда в соответствии с программой текущих испытаний турбокомпрессора.
Управление процессом испытаний возможно проводить в автоматическом, полуавтоматическом и в ручном режимах. Для последних случаев на лицевой панели пульта 37 расположены средства для ручного или полуавтоматического управления системами 10, 13, 18 топливоподачи, подачи масла, зажигания топливовоздушной смеси, а также регуляторами 11, 14 расхода топлива и масла в соответствии с показаниями контрольно-измерительных приборов.
Блок управления 36 осуществляет в режиме реального времени необходимые операции с входными сигналами для получения связи термодинамических параметров газо-воздушного тракта с вращением ротора и техническим состоянием турбокомпрессора, На пульте управления 37 отображаются данные, являющиеся результатом обработки исходной информации от указанных датчиков газо-воздушной системы и систем подачи масла и топлива для наглядной оценки состояния турбокомпрессора и выработки рекомендаций для операторов стенда по ручной или автоматической регулировке его характеристик.
Однократную холодную прокрутку турбокомпрессора без подачи топлива обычно осуществляют с частотой до 30 тыс.об/мин в течение нескольких минут. В случаях наличия недопустимых вибраций осуществляют демонтаж, ремонт, сборку и повторные динамические испытания турбокомпрессора.
Горячие стендовые испытания турбокомпрессоров проводят при скорости вращения ротора до 160 тыс.об/мин и более. Время работы турбокомпрессора в каждом цикле опытно-производственных испытаний должно находиться в пределах от десятков мин. до нескольких часов. Исследование работоспособности турбокомпрессоров двигательных агрегатов автотракторной техники на предложенном стенде может осуществляться на базе ремонтно-технических предприятий лесопромышленного комплекса.
Предложенный стенд, разработанный в ГОУ ВПО МГУЛ, предназначен для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания, комплексной проверки качества изготовления и сборки турбокомпрессоров путем обкатки и определения их контрольных параметров.
Основными измеряемыми параметрами данного стенда являются:
- максимальная частота вращения ротора, об/мин
160000
- давление воздуха после компрессора, кПа
0-250
- давление газа перед турбиной, кПа
0-300
- давление газа после турбины, кПа
0-30
- давление в системе подачи масла, кПа
0-700
- давление в системе подачи топлива, кПа
0-1000
- температура газа перед турбиной, °С
0-1000
- температура газа после турбины, °С
0-600
- температура масла перед турбокомпрессором, °С
0-120
- виброускорение, g
0-30
- температура воздуха перед компрессором, °С
0-60
- температура воздуха после компрессора, °С
0-150
Предложенный стенд, позволяет определить параметры и характеристики турбокомпрессоров дизельных двигателей в различные периоды эксплуатации, обкатки и регулировки. В результате проведенных исследований были выработаны необходимые рекомендации по технике испытаний турбокомпрессоров. Полезная модель дополняет и развивает возможности системы дефектации и эталонирования в части повышения эффективности и удобства эксплуатации стендового оборудования при ремонте и техническом обслуживании турбоагрегатов.