СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01M15/00 

Изобретение 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 [1].

Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается значительное количество энергии. Кроме того, в известном стенде 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, 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 [2]. Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа. Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается большое количество энергии.

Целью изобретения является снижение энергозатрат на испытание турбокомпрессора, за счет рекуперации тепла и снижения давления воздуха в магистралях стенда.

Поставленная цель достигается тем, что 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 первый и второй, рекуперативный теплообменник, устройства измерения и управления, регулируемым нагревателем, теплообменником-охладителем и регулируемым интерцептором, выполненным в виде корпуса с центральным клапаном для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны, дополнительно оборудован технологическим турбокомпрессором с регулируемым приводом. Входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров последовательно установленных 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. На входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор, а выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен с теплообменником-охладителем и входом этого же интерцептора соединенного с магистралью.

В регулируемом интерцепторе, например, в сквозные отверстия интерцептора установлены втулки с отверстиями с возможностью поворота вокруг оси и перемещения в осевом направлении, имитируя структуру потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора.

Регулируемый нагреватель выполнен в виде электрического калорифера с последовательно-параллельной схемой подключения нагревательных элементов и схемой коммутации этих элементов.

Воздух из атмосферы поступает во входную магистраль, проходит последовательно через вторые контуры второго и первого рекуперативных теплообменников, где подогревается теплом отработанных газов, а затем дополнительно нагревается до необходимой температуры в регулируемом нагревателе. Подогретый воздух поступает на вход турбины испытуемого турбокомпрессора, расширяется в сопловых и рабочих лопатках турбины, совершая работу, а турбина приводится во вращение ротором турбокомпрессора. При расширении воздуха в турбине его температура и давление снижаются: давление перед теплообменником-охладителем становится ниже атмосферного, а температура остается высокой. После выхода из турбины воздух поступает в теплообменник-охладитель, где охлаждается до необходимой температуры в результате передачи тепла воздуху второго контура, и поступает через центральный канал регулируемого интерцептора на вход компрессора испытуемого турбокомпрессора, который, вращаясь, сжимает воздух. При этом давление и температура воздуха повышаются. Однако давление остается ниже атмосферного. Воздух далее поступает на вход технологического компрессора, где его давление и температура повышаются. В результате давления становится выше атмосферного.

Нагретый в компрессорах воздух поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника, где передает тепло воздуху второго контура и отводится в атмосферу.

Сопоставленный анализ предложенного технического решения с известными прототипом и аналогами показал, что предложенное техническое решение отличается наличием новых элементов, а именно технологического турбокомпрессора, а также схемой соединения элементов между собой и с испытуемым турбокомпрессором.

Сущность предмета изобретения поясняется чертежом, где показана принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессора.

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, устройства измерения и управления (условно не показаны). Входная магистраль 10 стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя 7 с входом турбины 4 испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль 11 стенда сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством 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 сообщен посредством первого контура теплообменника-охладителя 8 с входом регулируемого интерцептора 9, выход второго контура теплообменника-охладителя 8 через управляемую задвижку 13 сообщен с компрессором 14 технологического турбокомпрессора, а выход компрессора 14 технологического турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью 12 посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника 5 с входом турбины 15 технологического турбокомпрессора, имеющего регулируемый привод 16, регулируемый нагреватель 7 выполнен в виде электрического калорифера со схемой управления.

Стенд работает в следующей последовательности. 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 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_к и температура Т_к 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_тк и температура Т_тк на выходе из технологического компрессора 1 увеличиваются. Давление Р_тк и температура Т_тк на выходе из технологического компрессора связаны с давлением Р_к и температурой Т_к на входе (на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями:

P_тк=P_к·_{π тк;}

где π _тк - степень повышения давления технологического компрессора 1 является функцией частоты вращения);

n - показатель политролы сжатия (для воздуха в адиабатном процессе сжатия n≈ 1,4).

При запуске Р_к<Р₀ и Т_к≈_{Т0, где Р0 и Т0 - параметры атмосферного воздуха на входе во входную магистраль 10.}

При этом на выходе из технологического компрессора 1 Р_тк>Р₀, Т_тк>Т₀. Воздух с повышенным давлением Р_тк и температурой Т_тк 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 технологическом компрессоре 1 происходит расширение воздуха в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора. Параметры воздуха на входе в турбину давление Р_т и температура Т_т связаны с параметрами воздуха на выходе из турбины P₁ и T₁, известными из термодинамики соотношениями:

где π _т - степень понижения давления в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора;

n - показатель политролы расширения (n≈ 1,4).

На запуске Р_т≈_{Р0, Тт≈Т0.}

Воздух при расширении в турбине 4 совершает работу. Ротор турбокомпрессора приходит во вращение и поступающий на вход 4 компрессора 3 воздух с параметрами P₁ и T₁ сжимается в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора до параметров Р_к и Т_к. При этом параметры воздуха на входе в компрессор 3 P₁ и T₁ и на выходе из компрессора 3 Р_к и Т_к связаны между собой известными из термодинамики формулами:

где π _к - степень повышения давления в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора (зависит от частоты вращения);

n - показатель политролы сжатия. Условно принято, что в технологическом компрессоре 1, компрессоре 3 и турбине 4 испытуемого турбокомпрессора показатели политролы сжатия и расширения равны.

По мере повышения частоты вращения ротора испытуемого турбокомпрессора увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и одновременно включают регулируемый подогреватель 7. Температура воздуха Т_т на входе в турбину 4 увеличивается, увеличивается степень понижения давления в турбине π _т и работа, совершаемая воздухом при расширении в турбине. Давление воздуха P₁ на входе в компрессор 3 понижается, температура воздуха T₁ на входе в компрессор 3 после отвода тепла в теплообменнике-охладителе 8 понижается, но остается выше температуры атмосферного воздуха (T₁>T₀).

В компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора воздух сжимается, давление Р_к и температура Т_к увеличиваются, но давление Р_к остается ниже давления окружающей среды (Р_к<Р₀).

В технологическом компрессоре 1 давление Р_к и температура Т_к повышаются, при этом Р_тк>Р₀ и Т_тк>Т₀. 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.

Для снижения непроизводительных потерь энергии в теплообменнике-охладителе 8, а также для обеспечения работы стенда без подогрева воздуха в регулируемом нагревателе 7, открывают управляемую задвижку 13, включают регулируемый привод 16 технологического турбокомпрессора 14.

В результате в циркуляционном контуре, образованном вторым контуром теплообменника-охладителя 8 компрессором 14 технологического турбокомпрессора, первым контуром первого рекуперативного теплообменника 5, турбиной 15 технологического турбокомпрессора, воздух, подогретый в теплообменнике-охладителе 8, сжимается в компрессоре 14, где повышается его давление и температура. Воздух с выхода турбины по соединительной магистрали 12 поступает в первый контур первого теплообменника регулятора 5, охлаждается и поступает на вход в турбину 15, где расширяется и охлаждается. Охлажденный воздух поступает в теплообменник-охладитель 8, где нагревается за счет охладителя потока воздуха, поступающего на вход в компрессор 1 испытуемого турбокомпрессора.

Для изменения режима работы турбокомпрессора изменяют частоту вращения регулируемого привода 2, а следовательно, и частоту вращения технологического компрессора 1. Степень повышения давления π _тк технологического компрессора является функцией частоты вращения. Суммарная степень повышения давления компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора и технологического компрессора 1 равна

π _кΣ =π _к·_{π тк}

С повышением суммарной степени повышениям давления π _тΣ в компрессорах 1 и 3 увеличивается степень расширения воздуха π _т в турбине 4 и, как следствие, понижается его давление и температура на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора. Одновременно изменяют частоту вращения регулируемого привода 16 технологического турбокомпрессора, тем самым изменяют степень подогрева воздуха в первом рекуперативном теплообменнике 5 и степень охлаждения воздуха в теплообменнике-охладителе 8.

Меняя уровень подогрева воздуха в рекуперативных теплообменниках 6 и 5 и регулируемом нагревателе воздуха 7 и степень охлаждения воздуха в теплообменнике-охладителе 8 возможно менять частоту вращения ротора турбокомпрессора от 19 с^-1 (1130 об/мин) до 300 с^-1 (18000 об/мин).

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 Δ К_у должен составлять 10-15% и определяться по выражению:

Δ К_у=(К_у-1)· 100.

В этом выражении К_у коэффициент запаса по газодинамической устойчивости, величина которого определяется из соотношения:

где G_пp и G_пp.г - приведенный расход воздуха в рабочей точке и на границе помпажа по напорной характеристике при неизменной приведенной частоте вращения ротора турбокомпрессора;

π _к и π _к.г - 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 ε пульсации полного давления и показателя окружной неравномерности Δ σ поля полного давления запас устойчивости уменьшается на величину:

δ К_у=α _вх(ε +Δ σ )· 100

Это величина характеризует смещение границы помпажа к рабочей линии компрессора. Эмпирический коэффициент α _вх 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 Δ σ поля полного давления.

Применение предложенного стенда позволяет снизить затраты энергии на испытания турбокомпрессора в 2-4 раза и приблизить 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 из-за рекуперации теплоты отработавших газов и использования теплоты окружающей среды.

Источники информации

1. А.с. СССР №1239545, МПК G 10 M 15/00, Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, авторы: Носырев Д.Я., Денисов Г.П.

2. Патент РФ №2199727, МПК G 01 М 15/00, Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение 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. 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. Изобретение обеспечивает снижение энергозатрат на испытание турбокомпрессора за счет рекуперации тепла и снижения давления воздуха в магистралях стенда. 1 с.п. ф-лы, 1 ил.

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, отличающееся тем, что 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.