Разработка методики испытаний малорасходных проточных частей турбины и компрессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка методики испытаний малорасходных проточных частей турбины и компрессора

Рассмотрена возникающая при проектировании малоразмерных турбогенераторов проблема выбора оптимальной тепловой схемы и компоновки для получения максимального КПД установки. Описан опыт работы по созданию малоразмерных турбомашин. Указаны особенности разработанной установки и эффективность ее использования. Приведены основные способы повышения КПД уста и ограничения при его оптимизации. Даны рекомендации по выбору схемы и компоновки малоразмерного турбогенератора.

В 2014 году для проведения экспериментального исследования была собрана доработанная экспериментальная установка для исследования малорасходных турбомашин с использованием индукторного тормоза (далее ЭУ) на предприятии «ООО «НТЦ «Микротурбинные технологии» и установлена на экспериментальном стенде лаборатории кафедры «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» СПбПУ[1].

Экспериментальная установка состоит из компрессора, индукторного тормоза, турбины, комплектов датчиков, приборов и рамы (рис. 1).

Основным элементом установки является нагрузочное устройство - индукторный тормоз (ИТ), позволяющий провопроводить исследования турбомашин в широком диапазоне изменения мощности и частоты

Рис. 1. Продольный разрез экспериментальной установки для исследования проточной части одноступенчатой турбины и одноступенчатого компрессора: 1 - индукторный тормоз; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - рама вращения

Для исключения потерь мощности на трение в подшипниках вала применяется схема с взвешиванием подшипников вала в подшипниках корпуса тормоза (схема «подшипник в подшипнике»). ИТ является нагрузочным устройством при испытаниях турбины и определении характеристик приводной воздушной турбины. К корпусу тормоза крепится рычаг моментомера. На выходе из рабочего колеса турбины установлено колесо с осевыми отверстиями. К оси этого колеса также прикреплен рычаг моментомера. Применение двух моментомеров позволяет разделять потери кинетической энергии в исследуемой турбинной ступени на потери в сопловом аппарате, рабочем колесе и потери с выходной скоростью. Кроме того, ИТ позволяет предупреждать несанкционированный разгон ротора (аварийный режим) и предотвращать возникновение помпажа при испытаниях компрессоров [2;4].

В состав экспериментального стенда входят воздушная, масляная, водяная системы, система управления, измерения и сбора экспериментальных данных (СУИ и СЭД). Из воздушной системы воздух через расходомер подается на ЭУ.

Водяная система служит для бесперебойного охлаждения индукторного тормоза, а масляная система обеспечивает смазку подшипников качения индукторного тормоза. СУИ и СЭД собирает показания датчиков давления, температуры. Замер частоты вращения ротора обеспечивает оптоэлектронный датчик.

Рис. 2. Продольный разрез МРОТ: 1 - газосборник; 2 - сопловой аппарат; 3 - рабочее колесо; 4 - колесо с осевым выходом

Персональный компьютер (ПК) обрабатывает их показания и выдает на экран монитора ПК в реальном масштабе времени на мнемосхему. Управление задвижкой подачи воздуха также осуществляется с помощью ПК.

Проточная часть малорасходной радиально-осевой турбины (МРОТ) (рис. 2) для ЭУ создана на базе микротурбинного генератора МТГ100, разработанного в ООО «НТЦ «Микротурбинные технологии».

В качестве входного патрубка использован аналог улиточного входного патрубка от МТГ 100. Сопловой аппарат состоит из осесимметричных сопел, выполненных в общем корпусе. Рабочее колесо (РК) радиально-осевого типа крепится на роторе ИТ с помощью соединения Хирта, что позволяет центровать РК относительно оси вращения с высокой точностью, передавать большой крутящий момент при малых радиальных и осевых размерах и заменять РК при сравнительных испытаниях. Конструкция крепления соплового аппарата также позволяет заменять его при сравнительных испытаниях.

Проточная часть малорасходного центробежного компрессора (МЦК) (рис. 3) для ЭУ собрана на базе МТГ-100. Входной патрубок аналогичен входному патрубку компрессора МТГ-100.

Рис. 3. Проточная часть МЦК: 1 - всасывающий патрубок; 2 - диффузор; 3 - входной патрубок; 4 - колесо компрессора

Рабочее колесо центробежного типа закреплено между двумя втулками, причем одна из втулок с помощью соединения Хирта крепится к валу ИТ. Это позволяет производить замену рабочего колеса компрессора при сравнительных испытаниях или заменять его на втулку при испытаниях МРОТ. За рабочим колесом находится безлопаточный диффузор. При сравнительных испытаниях необходима замена лопаточного диффузора, что представляет значительную сложность. Поэтому в данной конструктивной схеме был выбран безлопаточный диффузор.

Выходной патрубок сложной формы удовлетворяет противоречивым требованиям при создании единичной конструкции. Так, конусная часть со стороны входа в компрессор выполнена под углом 38°, что значительно сократило осевой габарит улитки в этом направлении. Конусная часть со стороны турбины выполнена под углом 8° с последующим переходом в улиточную часть с вертикальной образующей. Площадь проходных сечений патрубка соответствует площади теоретически обоснованного выходного патрубка. Выходной участок улитки обеспечивает трансформацию пятиугольного проходного сечения в круглое. Для исключения попадания посторонних предметов на фланце входного патрубка установлена сетка в виде коробчатой конструкции.

СУИ и СЭД состоит из щита управления, шкафа управления, ЭУ с установленными датчиками и персонального компьютера (ПК). Перечень средств измерения приведен в табл. 1.

Все управление и отображение информации выведено на экран монитора ПК. ПК связан со щитом управления и шкафом управления по шине PS486.

При появлении аварийных сигналов (превышение оборотов, повышение давления масла, воды)мгновенный останов осуществляется вручную от красной кнопки, расположенной на щите управления, или от ПК. Кроме загорания лампочек аварийных сигналов раздается звуковая сирена.

Таблица 1. Используемые в СУИ и СЭД средства измерения

Работы на ЭУ будут проводиться в несколько этапов:

1. Опробование работы ЭУ в целом.

2. Проверка работы масляной и водяной систем (возможность обеспечения необходимого расхода воздуха от воздушной системы; работа СУИ и СЭД в части регулирования частоты вращения ротора и опроса всех датчиков в заданных пределах измерений).

3. Отладка программного обеспечения с целью визуализации процесса на одном из стационарных режимов. Показания всех датчиков будут выведены на экран монитора ПК согласно схемам испытаний проточной части МЦК (рис. 4б) и МРОТ (рис. 4а).

Испытание проточной части МРОТ. При этом ЭУ будет разобрана в части компрессора. Рабочее колесо компрессора

1. будет заменено втулкой. ЭУ вновь будет собрана.

Испытание проточной части МРОТ будет проводиться на различных частотах вращения ротора. По снятым значениям расхода, давления, температур и усилий на рычаге статора индукторного тормоза и рычаге моментомера с помощью программы на ПК будут рассчитаны параметры МРОТ.

2. Испытание проточной части МЦК. Проточная часть МЦК будет разобрана с целью замены втулки на рабочее колесо. МРОТ будет использоваться в качестве приводной воздушной турбины.

Все испытания будут привязаны к частотам вращения ротора, при которых проводились замеры. По снятым значениям расхода, давления, температур и усилий на рычаге статора индукторного тормоза с помощью программы на ПК будут рассчитаны параметры МЦК. Критерием равенства мощности, потребляемой МЦК и отбираемой от МРОТ, будет нулевое значение усилия на рычаге статора ИТ.

Целями экспериментального исследования являются:

· апробирование работы ЭУ совместно с СУИ и СЭД;

· отладка программного обеспечения;

· испытание проточной части турбины на различных частотах вращения ротора;

· испытание проточной части компрессора на различных частотах вращения ротора.

В процессе эксперимента определяются следующие величины:

· Р₀* - полное давление на входе в сопловой аппарат, Па;

· Т₀* - температура торможения на входе в сопловой аппарат, К;

· Р_а - барометрическое атмосферное давление, Па;

· Р_I- усилие на конце рычага индукторного тормоза, Н;

· Р_M - усилие на конце рычага моментомера, установленного за рабочим колесом, Н;

· n₁ - частота вращения ротора индукторного тормоза, об/мин;

· Р_1ш - давление перед мерной шайбой, Па;

· Т_1ш - температура перед мерной шайбой, К;

_· Р_1ш - перепад давлений на мерной шайбе, Па;

· Р_1i -cтатическое давление на входе в рабочее колесо на периферии ступени, Па;

· Р_мi -cтатическое давление за рабочим колесом перед моментомером на периферии проточной части, Па;

· L_I - длина рычага индукторного тормоза, м;

· L_M - длина рычага моментомера, установленного за рабочим колесом, м.

Рис. 4. Схемы испытаний проточной части МРОТ (а) и МЦК (б): 1 - индукционный тормоз; 2 -турбина; 3 - колесо с осевым выходом; 4 - статор компрессора; 5 - компрессор К500; 6 - расходомер; 7 - предохранительный сбросной клапан; 8, 9 - датчики силы; 10 -два датчика давления; 11 - датчик температуры; 12 - датчик статического давления на входе в РК; 13 - датчик статического давления на выходе из РК; 14 - датчик частоты; 15 - шиберная заслонка; 16 - датчик температуры (датчик атмосферного давления находится в блоке управления); 17 - три датчика температуры (через 120° по окружности); 18 - три датчика статического давления (через 120° по окружности); 19 - четыре датчика динамического давления

Исследование малорасходных, малоразмерных проточных частей связано с рядом рядом ограничений по возможности организации замеров в неравномерном потоке.

Неравномерность потока объясняется малой высотой лопаток, их небольшим количеством и криволинейным характером косых срезов сопел [4]. Вследствие этого поток рабочего тела на выходе из соплового аппарата представляет собой систему струй, что приводит к сильной неравномерности течения как по высоте, так и по шагу. Размещение приборов в контрольных сечениях проблематично из-за соразмерности канала и зонда прибора. Получение характеристик потока при осреднении результатов траверсирования связано с многократными измерениями параметров потока в исследуемых сечениях и дальнейшей аналитической обработкой результатов. Таким образом, на погрешность измерений накладывается погрешность вычислений, связанная с выбором метода осреднения[3]. Все это приводит к недопустимым погрешностям. Достоверным способом получения интегральных характеристик потока является осреднение с помощью суммирующих приборов - моментомеров, измеряющих момент количества движения потока рабочего тела. Входящая в состав прибора спрямляющая решетка моментомера частично моделирует лопаточный аппарат рабочего колеса.

Для осреднения потока рабочего тела с помощью моментомера необходимо решить систему из четырех уравнений:

· уравнение сохранения полной энергии;

· уравнение сохранения массы;

· уравнение сохранения моментов количества движения в окружном направлении;

· уравнение осреднения статического давления.

Для решения этой системы приняты следующие допущения:

· радиальная составляющая скорости С_r = 0;

· рабочее тело - идеальный газ;

· температура торможения на выходе из соплового аппарата постоянна.

Для определения характеристик соплового аппарата с использованием сделанных допущений имеем следующую систему уравнений [2]:

Для решения системы необходимо конкретизировать взаимозависимость основных величин:

1. Уравнение состояния:P₁ = RT₁.

2. Уравнение энергии:c₁² 2=с_р (Т₀^* -Т₁).

3. Уравнение связи скоростей:c₁² = c_1z² +с_1u².

В этих уравнениях величины Т₀*, G, M_1u, P₁ известны из эксперимента. Известна также кольцевая площадь соплового аппарата F₁.

Так как в системе уравнений используется условие сохранения момента количества движения, то в качестве неизвестного в уравнение входит радиус. Одномерный расчет малорасходных турбинных ступеней проводится по среднему радиусу, поэтому целесообразно использовать среднеарифметический радиус. Решая полученную систему уравнений с дополнительными соотношениями, находим проекции скорости c₁:

с_1u = M_1u/(r_1ср G);

c_1z = -А+ А² +2с_р Т₀* - с_1u²;

А = F₁ p₁c_p/ (GR).

Знак «+» перед радикалом выбран исходя из физического смысла задачи.

Зная проекции скоростей, находим остальные параметры потока за исследуемым сопловым аппаратом и определяем его газодинамические характеристики:

· коэффициент расхода _р;

· коэффициент скорости ;

· коэффициент суммарных потерь кинетической энергии ₁;

· действительный угол выхода потока из соплового аппарата ₁.

Оценка эффективности работы ступени компрессора или турбины должна быть достаточно точной. Анализ точности опытных данных и погрешности измерений параметров необходим как для правильного выбора измерительных приборов, так и для достоверной оценки полученных результатов.

В работе дана оценка точности измерений параметров применительно к аналогичному экспериментальному стенду.

Максимальная абсолютная погрешность величин, измеряемых при экспериментальных исследованиях малорасходных турбин и их элементов, приведена в табл. 2.

Таблица 2. Максимальная абсолютная погрешность величин

Результаты расчета абсолютной и относительной погрешностей основных величин, определяющих эффективность испытанных модельных ступеней, представлены в табл. 3.

экспериментальный установка турбина

Таблица 3. Абсолютная и относительная погрешности основных величин

Для увеличения точности величин, дающих наибольшую погрешность, применяется многоуровневое повторение замеров значений определяющих параметров во всем диапазоне р_т1щ/С_О N_B[3].

Обработка опытных данных при определении мощности турбины выполняется в следующей последовательности:

1. Момент на валу тормоза: M₁=P₁L(Н·м).

2. Мощность, развиваемая турбиной: N₁=M₁(Вт).

3. Момент количества движения потока за РК, измеренный моментомером: M_2u=P_m L_m (Н·м).

Полученные значения P₁ и P_m используются в дальнейшем при испытаниях проточной части МЦК. Расчетная мощность, развиваемая приводной воздушной турбиной, определяет максимальную мощность, затрачиваемую при сжатии компрессорной ступенью.

В результате работы подготовлена материальная часть ЭУ, подключены все системы экспериментального стенда. Подключены и отработаны системы управления, измерения и сбора экспериментальных данных. Разработана программа визуализации.

Литература

1. Беседин, С.Н. Научно-техническое обоснование и практическая реализация создания микротурбинного генератора мощностью 100 кВт на основе современных расчетно-экспериментальных методов: дис. … канд. техн. наук /С.Н.Беседин.- СПб., 2011.- 298 с

2. Кириллов, И.И. Теория турбомашин/ И.И. Кириллов. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1972.- 533 с.

3. Соколов, Н.П. Энергетические машины: Определение величины погрешности при экспериментальных исследованиях: учеб. пособие/Н.П. Соколов [и др.]; под ред. В. А. Рассохина, В. Г.

4. Галеркин, Ю.Б. Турбокомпрессоры: учеб. пособие/ Ю. Б. Галеркин, Л. И. Козаченко; С.-Петерб. гос. политехн. ун-т.- СПб., 2008.

5. Андреев, К.Д. Энергетические машины: Теплообмен в системах охлаждения газовых турбин : учеб. пособие/ К.Д. Андреев [и др.]; под ред. В.А. Рассохина, В.Г. Полищука.- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008.- 294 с.

6. Беседин, С.Н. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности на базе газотурбинного цикла простой схемы с сильно развитой системой регенерации тепла/ С.Н. Беседин [и др.] // Инновационная политика и изобретатели (Россия - начало XXI века) : материалы межрегион. науч.-техн. конф. изобретателей и каталог Городской выставки изобретений (28-29 апр. 2009 г.) / Творческий союз изобретателей Санкт-Петербурга; С.-Петерб. гос. политехн. ун-т; под ред. Ю. Г. Попова, А. Г. Семёнова.- СПб., 2010.-С. 58-61.- (Энергетика и энергетическое машиностроение).

7. Размещено на Allbest.ru