Испытательный стенд лопаточных компрессоров и способ газодинамических испытаний лопаточных компрессоров
TEST BENCH FOR VANE COMPRESSORS AND METHOD FOR GAS-DYNAMIC TESTING OF VANE COMPRESSORS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к стендам для испытания компрессоров.
Известен испытательный стенд лопаточных компрессоров и способ газодинамических испытаний лопаточных компрессоров (патент RU 2686234, опубл. 24.04.2019), содержащий технологический компрессор с регулируемым приводом, откачивающую магистраль, замкнутую пневматическую магистраль с установленными в ней нагрузочным компрессором, испытуемой турбиной и теплообменником, при этом технологический компрессор расположен в замкнутой пневматической магистрали, при этом вход технологического компрессора соединен с выходом нагрузочного компрессора, а один из выходов технологического компрессора соединен с входом испытуемой турбины через теплообменник, другой выход технологического компрессора соединен через откачивающую магистраль с атмосферой. К недостаткам аналога относится невозможность испытания лопаточных компрессоров.
Известен испытательный стенд лопаточных компрессоров и способ газодинамических испытаний лопаточных компрессоров (патент RU 2716767, опубл. 17.03.2020, прототип). Испытательный стенд лопаточных компрессоров содержит замкнутую пневматическую магистраль, включающую компрессор и турбину, соединенные пневматически трубопроводом и имеющие кинематическую связь, теплообменник, также стенд содержит технологический компрессор с регулируемым приводом, теплообменник, содержащийся в замкнутой пневматической магистрали, является криогенным теплообменником, один вход которого соединен с выходом турбины, являющейся технологической турбиной, а один выход - с компрессором, который является испытуемым компрессором, при этом другой вход криогенного теплообменника соединен с источником холода и выполнен с возможностью заполнения криогенного теплообменника криоагентом, стенд дополнительно содержит технологический детандер, входящий во вторую замкнутую пневматическую магистраль и соединенный кинематически с испытуемым компрессором, а пневматически - с технологическим компрессором и охладителем воздуха второй замкнутой пневматической магистрали, кроме того стенд выполнен с возможностью регулирования температуры потока газа, поступающего в испытуемый компрессор за счет изменения количества криоагента, циркулирующего в криогенном теплообменнике. Способ газодинамических испытаний лопаточных компрессоров, включающий испытательный стенд по любому из предыдущих пунктов, при этом включает изготовление по меньшей мере одного варианта испытуемого компрессора (4), установку его на испытательном стенде, создание эквивалентных натурным условий работы - характерного давления по критериям Маха и Рейнольдса исходя из условий:
н
м
М=М;
н
м
Re=Re;
где М и Re, соответственно критерии Маха и Рейнольдса, а индексы «н» и «м» обозначают натурные и модельные условия;
измерение газодинамических параметров, обработку и анализ результатов измерений, а работоспособность компрессора (4) обеспечивают уменьшением характерной температуры рабочего процесса в соответствии с зависимостью:
и
н
и
н
н
и
и
н
и
н
и
н
Т/Т≤(σ×ρ)/(σ×ρ); где Т - характерная температура газодинамического процесса при испытаниях; Т - соответствующая температура в натурных условиях работы; σ - определяющая прочностная характеристика материала модели; σ - соответствующая определяющая прочностная характеристика материала критичных натурных деталей компрессора (4); ρ - плотность материала модели; ρ - плотность материала критичных натурных деталей компрессора;
при этом по меньшей мере один испытуемый компрессор (4) изготавливают с помощью аддитивных технологий,
создание эквивалентных натурным условий работы включает в себя приведение в движение потока газа во второй замкнутой пневматической магистрали (16) технологическим компрессором (8), регулирование которого осуществляют регулируемым приводом (12) технологического компрессора (8), от технологического компрессора (8) поток газа подают через охладитель (10) воздуха, который выполнен с возможностью поддержания заданного температурного режима во второй замкнутой пневматической магистрали (16), к технологическому детандеру (13), что приводит во вращение технологический детандер (13), от которого приводятся во вращение испытуемый компрессор (4) и технологическая турбина (2), чем обеспечивается движение потока газа в замкнутой пневматической магистрали (14), при этом поток газа перед поступлением его в испытуемый компрессор (4) охлаждают до заданной температуры в криогенном теплообменнике (6), регулирование температуры потока газа в замкнутой пневматической магистрали (14) осуществляют регулированием количества криоагента, поступающего в криогенный теплообменник (6). К недостаткам наиболее близкого аналога (прототипа) относятся попадание при установке испытуемого компрессора воздуха, содержащего влагу, вследствие чего при проведении испытаний происходит обмерзание различных датчиков, установленных на и/или в пневматической магистрали, что снижает достоверность полученных результатов, а кроме того обмерзание может привести к повреждению подвижных частей в пневматической магистрали, а именно испытуемого компрессора и турбины.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.
Технический результат заключается в исключении обмерзания в пневматической магистрали, в частности, исключении обмерзания пневматической магистрали при испытании лопаточных компрессоров, и, как следствие, получении более достоверных характеристик.
Технический результат достигается испытательным стендом лопаточных компрессоров, содержащим первую пневматическую магистраль (16), включающую технологический компрессор (8) с регулируемым приводом (12), охладитель (10) воздуха и детандер (13), вторую пневматическую магистраль (14), включающую испытуемый компрессор (4), турбину (2), и криогенный теплообменник (6), при этом вторая пневматическая магистраль (14) включает линию (17) подвода азота с запорным элементом (18) и линию (19) отвода азота с запорным элементом (20), а также по меньшей мере один запорный элемент (21), при этом линии (17, 19) подвода и отвода и по меньшей мере один запорный элемент (21) установлены таким образом, что азот при подаче из линии (17) подвода во вторую пневматическую магистраль (14) направляют по меньшей мере через испытуемый компрессор (4) и далее отводят через линию (19) отвода.
Криогенный теплообменник (6) выполнен с возможностью отвода азота в атмосферу, а линия (17) подачи азота соединена с баллоном.
Выход криогенного теплообменника (6) выполнен с возможностью отвода азота, находящегося в газообразном состоянии, в линию (17) подвода.
Линии (17, 19) подвода и отвода азота расположены таким образом, что азот из линии (17) подвода дополнительно проходит через турбину (2) и криогенный теплообменник (6), а именно линии (17, 19) подвода и отвода азота расположены между турбиной (2) и криогенным теплообменником (6), а по меньшей мере один запорный элемент (21) установлен между линиями (17, 19) подвода и отвода.
Технический результат также достигается способом газодинамических испытаний лопаточных компрессоров, включающим испытательный стенд, при этом устанавливают испытуемый компрессор (4) на испытательном стенде, закрывают по меньшей мере один запорный элемент (21) и открывают запорные элементы (18, 20) на линиях (17, 19) подвода и отвода азота, вытесняют воздух подачей азота во вторую пневматическую магистраль (14) по меньшей мере через испытуемый компрессор (4), далее закрывают запорные элементы (18, 20) на линиях (17, 19) подвода и отвода азота и открывают по меньшей мере один запорный элемент (21), создают эквивалентные натурным условия работы, измеряют газодинамические параметры, обрабатывают результаты измерений, а работоспособность испытуемого компрессора (4) обеспечивают уменьшением характерной температуры рабочего процесса, регулируя количество жидкого азота в криогенном теплообменнике (6).
Азот из криогенного теплообменника (6) отводят в атмосферу, а в линию (17) подвода азот подают из баллона.
Азот в газообразном состоянии из криогенного теплообменника (6) отводят в линию (17) подвода азота.
Дополнительно вытесняют воздух из второй пневматической магистрали (14) подачей азота через турбину (2) и криогенный теплообменник (6).
На представленной фигуре показана принципиальная схема испытательного стенда лопаточных компрессоров, на которой обозначены следующие элементы:
1. отсек высокого давления;
2. технологическая турбина;
3. отсек среднего давления;
4. испытуемый компрессор;
5. отсек низкого давления;
6. криогенный теплообменник;
7. отсек технологического компрессора;
8. технологический компрессор;
9. отсек охладителя воздуха;
10. охладитель воздуха;
11. отсек электропривода технологического компрессора;
12. регулируемый привод технологического компрессора;
13. технологический детандер;
14. вторая пневматическая магистраль;
15. трубопровод;
16. первая пневматическая магистраль;
17. линия подвода азота во вторую пневматическую магистраль (14);
18. запорный элемент лини (17) подвода азота;
19. линия отвода азота из второй пневматической магистрали (14);
20. запорный элемент лини (18) отвода азота;
21. запорный элемент пневматической магистрали (14).
На принципиальной схеме стрелками показаны направления движения потоков в стенде.
Испытательный стенд лопаточных компрессоров содержит вторую пневматическую магистраль (14), включающую компрессор (4) и турбину (2), соединенные пневматически трубопроводом (15) и имеющие кинематическую связь, теплообменник (6). Также стенд содержит технологический компрессор (8) с регулируемым приводом (12). Теплообменник (6), установленный во второй пневматической магистрали (14), является криогенным теплообменником (6). Один вход криогенного теплообменника (6) соединен с выходом турбины (2), являющейся технологической турбиной (2), а один выход - с компрессором (4), который является испытуемым компрессором (4). Другой вход криогенного теплообменника (6) соединен с источником холода, например, источником жидкого азота и выполнен с возможностью заполнения криогенного теплообменника (6) азотом, что позволяет поддерживать заданный температурный режим потока газа, поступающего в испытуемый компрессор (4), необходимый для создания условий, эквивалентных натурным.
Вторая пневматическая магистраль (14) включает линию (17) подвода газообразного азота от источника азота, которым может являться криогенный теплообменник (6) или баллон, с запорным элементом (18) и линию (19) отвода азота с запорным элементом (20), а также по меньшей мере один запорный элемент (21), что обеспечивает вытеснение воздуха, содержащего влагу, и заполнение второй пневматической магистрали (14) азотом, таким образом, уменьшается количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшается вероятность обмерзания в пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных результатов испытаний.
При этом линии (17, 19) подвода и отвода и по меньшей мере один запорный элемент (21) установлены таким образом, что азот при подаче из линии (17) подвода во вторую пневматическую магистраль (14) направляют по меньшей мере через испытуемый компрессор (4) и далее отводят через линию (19) отвода, таким образом, за счет обеспечения вытеснения воздуха, содержащего влагу, уменьшается количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшается вероятность обмерзания в пневматической магистрали, в следствии чего, увеличивается достоверность полученных результатов испытаний. При направлении азота только через испытуемый компрессор (4) линия (17) подвода азота расположена выше по потоку от испытуемого компрессора (4) и один запорный элемент (21) во второй пневматической магистрали (14) выше по потоку от линии (17) подвода, а линия (19) отвода азота расположена ниже по потоку от испытуемого компрессора (4) и другой запорный элемент (21) - ниже по потоку от линии (19) отвода азота. Таким образом, закрытие двух запорных элементов (21) при установке испытуемого компрессора (4) позволяет исключить заполнение всей пневматической магистрали (14) атмосферным воздухом, содержащим влагу, а последующая продувка испытуемого компрессора (4) азотом перед проведением испытаний, позволяет уменьшить количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшить вероятность обмерзания в пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных результатов испытаний.
Предпочтительным является вытеснение воздуха из всей второй пневматической магистрали (14) за счет продувки азотом, то есть азот направляют не только через испытуемый компрессор (4), но и через турбину (2) и криогенный теплообменник (6), что уменьшает количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшает вероятность обмерзания в пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных результатов испытаний. Для полной продувки второй пневматической магистрали (14) азотом линии (17, 19) подвода и отвода азота расположены в непосредственной близости друг от друга, например, между турбиной (2) и криогенным теплообменником (6), а по меньшей мере один запорный элемент (21) установлен между линиями (17, 19) подвода и отвода, что дополнительно уменьшает количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшает вероятность обмерзания в пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных результатов испытаний.
Стенд содержит технологический детандер (13), входящий в первую пневматическую магистраль (16) и соединенный кинематически с испытуемым компрессором (4), а пневматически - с технологическим компрессором (8) и охладителем (10) воздуха первой пневматической магистрали (16). Таким образом обеспечивается возможность проведения испытаний лопаточных компрессоров.
Стенд выполнен с возможностью регулирования температуры потока газа, поступающего в испытуемый компрессор (4) за счет изменения количества жидкого азота, находящегося в криогенном теплообменнике (6).
Охладитель (10) воздуха первой пневматической магистрали (16) является теплообменником «газ-жидкость», хладагентом которого является техническая вода.
Криогенный теплообменник (6) представляет собой сосуд Дьюара, что позволяет минимизировать потери холода, при этом криогенный теплообменник (6) на входе, соединенном с источником холода, содержит клапан-дозатор (не показан), позволяющий регулировать количество азота, поступающего в криогенный теплообменник (6) от источника холода.
Другой выход криогенного теплообменника (6) выполнен с возможностью отвода азота, находящегося в газообразном состоянии, в линию (17) подвода азота, что уменьшает количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшает вероятность обмерзания в пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных результатов испытаний.
Крыльчатка технологического детандера (13), испытуемый компрессор (4) и турбина (2) могут быть выполнены с помощью аддитивных технологий.
Элементы конструкции испытательного стенда можно условно разделить на отсеки, при этом отсек (1) высокого давления, к которому относится технологическая турбина (2), отсек (3) среднего давления, к которому относится испытуемый компрессор (4), отсек (5) низкого давления, к которому относится криогенный теплообменник (6), отсек (7) технологического компрессора, к которому относится соответственно технологический компрессор, отсек (9) охладителя воздуха с охладителем (10) воздуха и отсек (11) электропривода технологического компрессора (8).
Стенд работает следующим образом.
При газодинамических испытаниях лопаточных компрессоров изготавливают по меньшей мере один вариант испытуемого компрессора (4) и устанавливают его на испытательном стенде. Так как при установке испытуемого компрессора (4) во вторую пневматическую магистраль неизбежно попадает атмосферный воздух, содержащий влагу, то для уменьшения вероятности обмерзания во второй пневматической магистрали (14), необходимо эту влагу удалить, например, вытеснением воздуха из магистрали (14) и заполнением ее двухатомным газом, не содержащим воду. При этом в качестве такого газа выбирается азот, ввиду его использования в стенде для охлаждения в криогенном теплообменнике (6), а также исходя из того, что содержание азота в воздухе порядка 78%, то такая замена атмосферного воздуха на азот позволяет создавать эквивалентные условия работы турбины (2) и самого испытуемого компрессора (4). Далее закрывают по меньшей мере один запорный элемент (21) и открывают запорные элементы (18, 20) на линиях (17, 19) подвода и отвода азота, вытесняют воздух подачей азота во вторую пневматическую магистраль (14) по меньшей мере через испытуемый компрессор (4), далее закрывают запорные элементы (18, 20) на линиях (17, 19) подвода и отвода азота и открывают по меньшей мере один запорный элемент (21), что уменьшает количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшает вероятность обмерзания второй пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных замеров в ходе испытаний с датчиков измерения давления, температуры (не показаны), установленных на и/или во второй пневматической магистрали (14). В случае, когда стенд содержит два запорных элемента (21), установленных выше и ниже по потоку от испытуемого компрессора (4), воздух при установке испытуемого компрессора (4) заполняет не всю вторую пневматическую магистраль (14). При этом, аналогично приведенному выше описанию продувки при закрытых двух запорных элементах (21) и открытых запорных элементах (18, 20) на линиях (17, 19) подвода и отвода азота осуществляют вытеснение воздуха из испытуемого компрессора (4), что уменьшает количество влаги во второй пневматической магистрали и уменьшает вероятность обмерзания второй пневматической магистрали, вследствие чего увеличивается достоверность полученных результатов испытаний. Азот, используемый для продувки и в дальнейшем в качестве рабочего тела при испытаниях компрессора (4), подводят в линию (17) подвода из криогенного теплообменника (6) или из баллона (не показан).
Создают эквивалентные натурным условия работы - характерное давление по критериям Маха и Рейнольдса исходя из условий:
н
м
М=М;
н
м
Re=Re;
где М и Re, соответственно критерии Маха и Рейнольдса, а индексы «н» и «м» обозначают натурные и модельные условия.
Измеряют газодинамические параметры, обрабатывают и анализируют результаты измерений, а работоспособность компрессора (4) обеспечивают уменьшением характерной температуры рабочего процесса в соответствии с зависимостью:
и
н
и
н
н
и
Т/Т≤(σ×ρ)/(σ×ρ);
и
н
и
н
и
н
где Т - характерная температура газодинамического процесса при испытаниях; Т - соответствующая температура в натурных условиях работы; σ - определяющая прочностная характеристика материала модели; σ - соответствующая определяющая прочностная характеристика материала критичных натурных деталей компрессора (4); ρ - плотность материала модели; ρ - плотность материала критичных натурных деталей компрессора;
Создание эквивалентных натурным условий работы включает в себя приведение в движение потока газа в первой пневматической магистрали (16) технологическим компрессором (8), регулирование которого осуществляют регулируемым приводом (12) технологического компрессора (8), от технологического компрессора (8) поток газа подают через охладитель (10) воздуха, который выполнен с возможностью поддержания заданного температурного режима в первой пневматической магистрали (16), к технологическому детандеру (13), что приводит во вращение технологический детандер (13), от которого приводятся во вращение испытуемый компрессор (4) и технологическая турбина (2), чем обеспечивается движение потока азота во второй пневматической магистрали (14). Приводом к испытуемому компрессору (4) является технологическая турбина (2). Недостаток мощности технологической турбины (2) компенсируется технологическим детандером (13). Следует отметить, что потери в турбине и компрессорах приводят к нагреванию воздуха в первом контуре. Функцию отбора излишков тепла в первом воздушном контуре также берет на себя охладитель (10) воздуха. При этом поток газа перед поступлением его в испытуемый компрессор (4) охлаждают до заданной температуры в криогенном теплообменнике (6), регулирование температуры потока газа во второй пневматической магистрали (14) осуществляют регулированием количества криоагента, которым является азот, поступающий в криогенный теплообменник (6).
и
н
и
н
н
и
Для соответствия критериям Маха и Рейнольдса, давление и температура газа понижены по сравнению с натуральным компрессором. Поддержание на испытательном стенде, при создании модельных условий газодинамического процесса, характерных параметров рабочего тела: давления - по критерию Рейнольдса и температуры в заданных пределах - Т/Т≤(σ×ρ)/(σ×ρ), обеспечивает работоспособность модели малоразмерной лопаточного компрессора (4), изготовленной с помощью AF-технологий, во всем диапазоне моделируемых рабочих режимов.
Использование при испытаниях вместо натурных малоразмерных лопаточных компрессоров их экспериментальных моделей, изготовленных с помощью AF-технологий (аддитивных), а также изготовления крыльчатки технологического детандера (13) с помощью аддитивных технологий, сокращает затраты на подготовку эксперимента, позволяет в короткий промежуток времени подготовить и провести большую серию испытаний различных вариантов и модификаций компрессоров, что повышает качество проводимых работ, получением более достоверных характеристик.