СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

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.
Известный стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, устройства измерения и управления, регулируемый источник газового потока, выполнен в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, причем входная и выходная магистрали соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, а регулируемый источник газового потока соединен с входной и выходной магистралями [А.с. СССР №1239545, МПК G01M 15/00, Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, авторы Носырев Д.Я., Денисов Г.П.].
Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается значительное количество энергии, а также ограничены возможности имитации и воссоздания условий по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора.
Наиболее близким к предлагаемому по совокупности признаков является стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, которые соединены с испытуемым турбокомпрессором, регулируемый источник газового потока, в виде технологического компрессора, выполнен с регулируемым приводом,
регулируемый нагреватель, первый и второй рекуперативные теплообменники, регулируемый интерцептор, теплообменник-охладитель, устройства измерения и управления, стенд снабжен технологическим турбокомпрессором с регулируемым приводом, вход его компрессора сообщен через управляемую задвижку с выходом второго контура теплообменника-охладителя, выход компрессора соединен магистралью со входом первого контура первого рекуперативного теплообменника, выход которого соединен со входом в турбину технологического турбокомпрессора, а выход турбины технологического турбокомпрессора сообщен со вторым контуром теплообменника-охладителя [Патент РФ №2243530, МПК G01M 15/00, Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, авторы Носырев Д.Я., Сурков А.В.].
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается большое количество энергии.
Техническим результатом является упрощение конструкции, снижение энергозатрат на испытание турбокомпрессора, за счет рекуперации тепла на выходе из турбины турбокомпрессора.
Технический результат достигается тем, что в стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, которые соединены с испытуемым турбокомпрессором, регулируемый источник газового потока в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, регулируемый нагреватель, первый и второй рекуперативные теплообменники, регулируемый интерцептор, теплообменник-охладитель, устройства измерения и управления, дополнительно введен циркуляционный насос с регулируемым приводом, причем вход циркуляционного насоса соединен через первый контур с первым рекуперативным теплообменником и
второй контур с выходом теплообменника-охладителя, выход теплообменника-охладителя через управляемую задвижку соединен со входом циркуляционного насоса, а регулируемый нагреватель выполнен в виде электрического калорифера со схемой управления.
Введение циркуляционного насоса способствует снижению энергозатрат при испытании турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, за счет рекуперации тепла и снижения давления воздуха в магистралях стенда.
На фиг.1 представлена схема стенда для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания.
Стенд содержит технологический компрессор 1 с регулируемым приводом 2, испытуемый турбокомпрессор с компрессором 3 и турбиной 4, первый рекуперативный теплообменник 5, второй рекуперативный теплообменник 6, регулируемый нагреватель 7, теплообменник-охладитель 8, регулируемый интерцептор 9, входную 10 и выходную 11 магистрали стенда, соединительной магистрали 12, управляемой задвижки 13, циркуляционного водяного насоса 14, регулируемый привод 15. Входная магистраль 10 стенда соединена своим входом с атмосферой и вторым контуром первого 5 и второго 6 рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя 7 с входом турбины 4 испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль 11 стенда соединена своим выходом с атмосферой, первого контура второго рекуперативного теплообменника 6 и технологического компрессора 1 с выходом компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора. На входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор 9, а выход турбины 4 испытуемого турбокомпрессора соединен через первый контур теплообменника-охладителя 8 с входом регулируемого интерцептора 9. Выход второго контура теплообменника-охладителя 8 через управляемую задвижку 13 соединен с циркуляционным водяным насосом 14, а вход
циркуляционного водяного насоса 14 соединен с соединительной магистралью 12, посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника 5, вход которого соединен с выходом второго контура теплообменника-охладителя 8, имеющим регулируемый привод 15. Регулируемый нагреватель 7 выполнен в виде электрического калорифера со схемой управления.
к
к
гк
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, вторые контуры второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников, регулируемый нагреватель 7, турбину 4 испытуемого турбокомпрессора, теплообменник-охладитель 8, 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 - понижаются из-за потерь давления в элементах газовоздушного тракта стенда и расширения в турбине. 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 связаны с давлением Р и температурой Т на входе (на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями:
ТК
К
ТК
Р=Р·π
тк
где π - степень повышения давления технологического компрессора 1 (является функцией частоты вращения);
n - показатель политропы сжатия (для воздуха в адиабатном процессе сжатия n=1,4).
к
0
к
0
При запуске Р<Р и Т≈Т,
0
0
где P и Т - параметры атмосферного воздуха на входе во входную магистраль.
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 через выходную магистраль 11 отводится в атмосферу. Одновременно с процессом сжатия воздуха в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора. Параметры воздуха на входе в турбину давление Р и температура Т связаны с параметрами воздуха на выходе из турбины P и T известными из термодинамики соотношениями:
т
где π - степень понижения давления в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора;
т
0
т
0
n - показатель политропы расширения (n=1,4). На запуске Р≈Р, Т≈Т.
1
1
к
к
1
1
к
к
Воздух при расширении в турбине 4 совершает работу. Ротор турбокомпрессора приводит во вращение и поступающий на вход 4 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 формулами:
к
т
к
Р=Р·π
к
где π - степень повышения давления в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора (зависит от частоты вращения);
n - показатель политропы сжатии, что в технологическом компрессоре 1,
компрессоре 3 и турбине 4 показатели политропы равны.
т
т
1
1
1
0
По мере повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора, увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и одновременно включают регулируемый подогреватель 7. Температура воздуха Т на входе в турбину 4 увеличивается, увеличивается степень понижения давления в турбине π и работа совершаемая воздухом при расширении в турбине. Давление воздуха P на входе в компрессор 3 повышается, температура воздуха T на входе в компрессор 3 после отвода тепла в первом рекуперативном теплообменнике 5 и теплообменнике-охладителе 8 понижается, но остается выше температуры атмосферного воздуха (T>T).
к
к
к
к
0
В компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора воздух сжимается, давление Р и температура Т увеличиваются, но давление Р остается ниже давления окружающей среды (Р<Р).
к
к
ТК
0
ТК
0
В технологическом компрессоре 1 давление Р и температура Т повышаются, 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 через выходную магистраль в атмосферу. Для изменения режима работы испытуемого турбокомпрессора изменяют частоту вращения регулируемого привода 2 и количество теплоты, подводимое к воздуху в регулируемом нагревателе 7.
При работе стенда без подогрева воздуха в регулируемом нагревателе 7, открывают управляемую задвижку 13, включают регулируемый привод 15 циркуляционного насоса. Включают регулируемый привод 2, технологического компрессора. При этом воздух из атмосферы через входную магистраль 10 поступает во второй контур второго рекуперативного теплообменника 6, где подогревается, проходит второй контур первого рекуперативного теплообменника 5, где подогревается, регулируемый подогреватель 7 без дополнительного нагрева и поступает на вход в турбину
1
1
к
к
ТК
0
ТК
0
Н
H
4 испытуемого турбокомпрессора. В турбине 4 воздух расширяется, совершает работу и приводит во вращение ротор турбокомпрессора. Давление P и температура T, воздуха понижается. После выхода из турбины 4 воздух через регулируемый интерцептор 9 поступает на вход компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора, где снижается. Давление Р и Т повышаются. Воздух с этими параметрами поступает на вход технологического компрессора, где сжимается до давления Р>Р и температуры Т>Т. После сжатия технологического компрессора 1 отработавший воздух во втором рекуперативном теплообменнике 6 отдает тепло воздуху, поступающему на вход турбины 4 и отводится через выходную магистраль 11 в атмосферу. Воздух после прохода через теплообменник-охладитель открытую управляемую задвижку 13 поступает на вход циркуляционного насоса 14, где сжимается. Давление Р и температура Т повышаются. Воздух с этими параметрами по соединительной магистрали 12 поступает в первый контур первого рекуперативного теплообменника и поступает на выход теплообменника-охладителя 8.
тк
Для измерения режима работы турбокомпрессора измеряют частоту вращения регулируемого привода 2, а следовательно и частоту вращения технологического компрессора 1. Степень повышения давления π технологического компрессора является функцией частоты вращения. Суммарная степень повышения давления компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора и технологического компрессора 1 равна:
КΣ
К
ТК
π=π·π
КΣ
Т
С повышением суммарной степени повышениям давления π в компрессорах 1 и 3 увеличивается степень расширения воздуха π в турбине 4 и, как следствие, понижается его давление и температура на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора.
Меняя уровень подогрева воздуха в рекуперативных теплообменниках
-1
-1
6 и 5 и регулируемом нагревателе 7 воздуха возможно менять частоту вращения ротора турбокомпрессора от 190 с (1130 об/мин) до 300 с (18000 об/мин).
у
Испытания по проверке характеристики турбокомпрессора, в том числе и по определению запасов газодинамической устойчивости проводят после изготовления или ремонта турбокомпрессора. При этом запас по газодинамической устойчивости ΔК должен составлять 10-15% и определяется по выражению:
у
ΔK=(Kу-1)·100
у
В этом выражении К коэффициент запаса по газодинамической устойчивости, величина которого определяется из соотношения:
ПР
ПР.Г
где G и G - приведенный расход воздуха в рабочей точке и на границе помпажа по напорной характеристики при неизменной приведенной частоте вращения ротора турбокомпрессора;
к
к.г
π и π - степень повышения давления в рабочей точке и на границе помпажа при неизменной приведенной частоте вращения ротора турбокомпрессора.
При увеличении уровня неоднородности входного потока, характеризуемого суммой средне интегральной амплитуды е пульсации полного давления и показателя окружной неравномерности Δσ поля полного давления запаса устойчивости уменьшается на величину:
у
вх
δК=α(ε+Δσ)·100
вх
Это величина характеризует смещение границы помпажа к рабочей линии компрессора. Эмпирический коэффициент α вблизи границы помпажа имеет значение больше 1, а на удалении - меньше 1.
Установка на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора регулируемого интерцептора 9 позволяет воздействовать на поток воздуха, изменяя амплитуду ε пульсации полного давления и величину показателя
окружной неравномерности Δσ поля полного давления.
Применение предложенного стенда позволяет снизить затраты энергии на испытания турбокомпрессора в 2-4 раза, за счет рекуперации тепла на выходе из турбины турбокомпрессора и снижение давления воздуха в магистралях стенда, что приблизит условия испытания турбокомпрессора по проверке основных параметров к реальным. Одновременно улучшаются условия труда на стенде из-за уменьшения частоты вращения ротора и, как следствие, вибраций и шума, а также уменьшается загрязнение окружающей среды газов и использования теплоты окружающей среды.