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.
Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, регулируемый источник газового потока, выполняемый в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, устройства измерения и управления, рекуперативный теплообменник, причем входная и выходная магистрали стенда соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, технологический компрессор соединен с входной и выходной магистралями, а рекуперативный теплообменник соединен первым контуром с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора, а вторым контуром с выходом технологического компрессора и входом в турбину [патент RU 2145705 C1, МПК: 7 G01M 15/00, опубл. 20.02.2000, БИ №5, Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, авторы: Носырев Д.Я., Золотухин В.Н., Щербицкая Т.В.].
Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора также непроизводительно затрачивается значительное количество энергии и не обеспечивается возможность имитации и воссоздания условий по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора.
Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с испытуемым турбокомпрессором, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, рекуперативный теплообменник, регулируемый нагревателем, второй рекуперативный теплообменник, теплообменник-охладитель и регулируемый интерцептор и устройства измерения и управления. Входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль стенда сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и технологического компрессора с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора [патент RU 2199727 C2, МПК: 7 G01M 15/00, опубл. 27.02.2003, БИ №6, Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, авторы: Носырев Д.Я., Росляков А.Д., Щербицкая Т.В.].
Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается большое количество энергии.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является снижение энергозатрат на испытание турбокомпрессора.
Технический результат достигается тем, что стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с испытуемым компрессором, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, первый рекуперативный теплообменник, блоки измерения и управления, регулируемый нагреватель, второй рекуперативный теплообменник, теплообменник-охладитель и регулируемый интерцептор, выполненный в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой, причем входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины испытуемого турбокомпрессора, выходная магистраль сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и технологического компрессора с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор, а выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен с соединительной магистралью с установленной в ней первой управляемой задвижкой посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника и теплообменника-охладителя с входом регулируемого интерцептора, параллельно которым выполнена байпасная линия с установленной в ней второй управляемой задвижкой, согласно полезной модели дополнительно оборудован третьей управляемой задвижкой, которая установлена на байпасной линии, четвертой и пятой управляемыми задвижками, которые установлены на входной и выходной магистралях, двумя расходомерами, которые установлены на входе турбины и компрессора испытуемого турбокомпрессора, программатором, датчиками давления и температуры, которые установлены на входе и выходе турбины, испытуемого компрессора турбокомпрессора, теплообменника-охладителя, первого и второго контура второго рекуперативного теплообменника, первого контура первого рекуперативного теплообменника и на входе регулируемого нагревателя, двумя датчиками частоты вращения, которые установлены на компрессоре испытуемого турбокомпрессора и технологическом компрессоре и байпасной линией, соединяющей вход первого контура с выходом второго контура второго рекуперативного теплообменника, выходы расходомеров, датчиков часты вращения, температуры и давления соединены с блоком измерения и программатором, которые соединены с блоком управления, который соединен с управляемыми задвижками.
Предложенное техническое решение отличается наличием новых элементов, а именно, третьей, четвертой и пятой управляемыми задвижками, датчиками давления, температуры и частоты вращения, блоком измерения, блоком управления и программатором. Введение новых конструктивных элементов позволяет автоматизировать технический процесс и снизить энергозатраты.
На фиг. представлена принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессора.
Стенд содержит технологический компрессор 1, регулируемый привод 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, входная магистраль 10, выходная магистраль 11, соединительная магистраль 12, первая управляемая задвижка 13, вторая управляемая задвижка 14, датчики температуры 15, датчики давления 16, четвертая управляемая задвижка 17, пятая управляемая задвижка 18, третья управляемая задвижка 19, первый расходомер 20, второй расходомер 21, первый датчик частоты вращения 22, второй датчик частоты вращения 23, байпасная магистраль 24, байпасная линия 25, блок измерения 26, программатор 27, блок управления 28.
1
1
1
1
К
К
ТК
ТК
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 через открытую четвертую управляемую задвижку 17 (пятая управляемая задвижка 18 закрыта), вторые контуры второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников, регулируемый нагреватель 7, турбину 4 испытуемого турбокомпрессора, соединительную магистраль 12, открытую первую управляемую задвижку 13 (вторая управляемая задвижка 14), первый контур первого рекуперативного теплообменника 5, теплообменник-охладитель 8, регулируемый интерцептор 9 поступает на вход компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора. При этом давление P и температура T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора, воздуха на входе в компрессор 3 понижаются из-за потерь давления в элементах газовоздушного тракта стенда и расширения воздуха на турбине 4. Воздух при расширении в турбине 4 совершает работу. Ротор турбокомпрессора приходит во вращение и поступающий на вход компрессора 3 воздух с параметрами P и T сжимается в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора до параметров P и T, измеренных датчиками давления 16 и температуры 15 на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, в результате чего давление P и температура T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на выходе из технологического компрессора 1, увеличиваются.
К
0
К
0
0
0
При запуске P<P и T≥T, где P и T - параметры атмосферного воздуха на входе во входную магистраль 10.
ТК
0
ТК
0
ТК
ТК
ТК
ТК
К
К
При этом на выходе из технологического компрессора 1 P>P, T>T. Воздух с повышенным давлением P и температурой T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на выходе из технологического компрессора 1, после выхода из технологического компрессора 1 поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника 6, на выходе которого датчиками давления 16 и температуры 15 измеряется изменение давления и температуры, и по выходной магистрали 11 через пятую управляемую задвижку 18 отводится в атмосферу. Давление P и температура T на выходе из технологического компрессора 1 связаны с давлением P и температурой T на входе (на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями:
ТК
ТК
P=PК×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=к=1,4).
Т
T
1
1
Одновременно с процессом сжатия воздуха в технологическом компрессоре 1 происходит расширение воздуха в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора. Параметры воздуха на входе в турбину давление P и температура T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на входе в турбину 4, связаны с параметрами воздуха на выходе из турбины P и T известными из термодинамики соотношениями:
1
Т
Т
P=P/π; ,
Т
где π - степень понижения давления в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора;
n - показатель политропы расширения (для воздуха в адиабатном процессе расширения n=к=1,4).
Т
0
Т
0
На запуске P≈P, T≈T.
1
1
К
К
При этом параметры воздуха на входе в компрессор 3 P и Tизмеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора, и на выходе из компрессора 3 P и T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора, связаны между собой известными из термодинамики соотношениями:
1
Т
К
P=P/π; ,
К
где π - степень повышения давления в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора (зависит от частоты вращения);
n - показатель политропы сжатия.
Т
T
1
1
1
0
Условно принято, что в технологическом компрессор 1, компрессоре 3 и турбине 4 показатели политропа равны. По мере повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и одновременно включают регулируемый нагреватель 7. Температура воздуха T 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 P и температура T увеличиваются, но давление P остается ниже давления окружающей среды (Р<Р).
К
К
ТК
0
ТК
0
В технологическом компрессоре 1 давление P и температура T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на выходе из технологического компрессора 1, повышаются, при этом P>P и T>T. После сжатия в технологическом компрессоре 1 отработавший воздух передает тепло воздуху, поступающего на вход второго рекуперативного теплообменника 6 и отводится по выходной магистрали 11 через пятую управляемую задвижку 18 в атмосферу. Для изменения режима работы испытуемого турбокомпрессора изменяют частоту вращения регулируемого привода 2, за счет чего изменяется частота вращения технологического компрессора 1 и компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора, что контролируется датчиками частоты вращения 22 и 23. Для изменения режима работы испытуемого турбокомпрессора также изменяют количество теплоты, подводимое к воздуху в регулируемом нагревателе 7.
1
1
К
К
ТК
0
ТК
0
При работе стенда по замкнутому циклу, т.е. закрыты четвертая 17 и пятая 18 управляемые задвижки. При этом воздух через байпасную линию 25 и третью управляемую задвижку 19 поступает во второй контур первого рекуперативного теплообменника 5, регулируемый нагреватель 7 и на вход в турбину 4 испытуемого турбокомпрессора. В турбине 4 воздух расширяется, совершает работу и приводит во вращение ротор турбокомпрессора. Давление P и температура T измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на на выходе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора, воздуха понижаются. После выхода из турбины 4 воздух по байпасной магистрали 24 с открытой второй управляемой задвижкой 14 через интерцептор 9 поступает на вход компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора. Давление P и температура T, измеренные датчиками давления 16 и температуры 15 на на выходе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора, повышаются. Воздух с этими параметрами поступает на вход технологического компрессора 1, где сжимается до давления P<Р и температуры T<T. После сжатия в технологическом компрессоре 1 отработавший воздух поступает в байпасную линию 25 и процесс повторяется. При этом мощность турбины 4, компрессора 3 и приводного нагнетателя уменьшаются. Это приводит к снижению энергозатрат на испытание турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания.
Для изменения режима работы турбокомпрессора изменяют частоту вращения регулируемого привода 2, а следовательно и частоту вращения технологического компрессора 1.
У
Испытания по проверке характеристик турбокомпрессора, в том числе и по определению запасов газодинамической устойчивости проводят после изготовления или ремонта турбокомпрессора. При этом запас по газодинамической устойчивости ΔK должен составлять 10-15% и определяется по выражению:
У
У
ΔK=(K-1)∗100.
у
В этом выражении K - 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 характеристике 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 среднеинтегральной амплитуды ∈ пульсаций полного давления и показателя окружной неравномерности Δσ поля полного давления запас устойчивости уменьшается на величину:
У
ВХ
δK=α(∈+Δσ)×100.
ВХ
Эта 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 ∈ пульсаций полного давления и величину показателя окружной неравномерности Δσ поля полного давления.
Датчики частоты вращения 22 и 23, температуры 15 и давления 16 показывают изменение частоты вращения, температуры и давления, соответственно. Расходомеры 20 и 21 установлены на входе в турбину 4 и на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора и показывают расход сжатого воздуха.
Выходы датчиков частоты вращения 22 и 23, температуры 15 и давления 16, расходомеров 20 и 21 соединены с блоком измерения 26 и программатором 27, которые соединены с блоком управления 28, который соединен с управляемыми задвижками.
Применение предложенного стенда позволяет снизить затраты энергии на испытание турбокомпрессора в 2-3 раза, приблизить условия испытания к реальным, улучшить условия труда, уменьшить вибрации и шум, уменьшить загрязнение окружающей среды из-за рекуперации теплоты отработавших газов и использования теплоты окружающей среды.