Стенд для испытания турбокомпрессора Советский патент 1992 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к испытаниям лопаточных машин, в частности турбокомпрессоров 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, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, устройствами измерения и управления, отводящий патрубок с вращающейся заслонкой, регулируемый дроссель с механизмом управления, размещенный на выходе из технологического компрессора. Входные и выходные магистрали стенда соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора.

Недостатком известного стенда является то, что потребляется значительное количество энергии на привод технологического компрессора, непроизводительно теряется энергия в регулируемом дросселе.

Наиболее близкие к предлагаемому по цели и технической сущности является стенд для испытания турбокомпрессора, содержащий компрессор с регулируемым приводом, входной патрубок которого присоединен к выходному патрубку компрессора испытуемого турбокомпрессора, а отводящий патрубок через тангенциальный выход вихревой трубы соединен с пульсатором газового потока и с входом турбины испытуемого турбокомпрессора, вихревая труба выполнена в виде цилиндрического участка с входным и выходным элементами, причем входной элемент выполнен в виде блока завихрителей с тангенциально расположенными соплами, которые соединены магистрально с выходом компрессора, по оси блока размещено выходное отверстие, а выходной элемент выполнен в виде щелевого диффузора, на входе в.который размещен подвижный конус с отверстием по оси, соединенным магистралью с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора.

Недостатками известного стенда являются непроизводительные затраты энергии на испытание турбокомпрессора, связанные с выбросом отработавшего воздуха через выходное отверстие входного элемента вихревой трубы в атмосферу, и снижение интенсивности закрутки приосевого вихря при подаче воздуха с выхода турбины через отверстие, расположенное по оси подвижного конуса, в приосевую область вихревой трубы.

Целью изобретения является снижение непроизводительных потерь энергии и в целом энергозатрат на испытание турбокомпрессора за счет исключения выброса

энергии в атмосферу и повышение интен- .сивности закрутки приосевого вихря.

Цель достигается тем, что в предложенном стенде для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания

0 выходное осевое отверстие блока завихрителей соединено с входом в компрессор испытуемого турбокомпрессора, а вихревая труба снабжена установленным в осевое отверстие подвижного конуса шнековым за5 вихрителем с осевым входом.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предложенного стенда; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - подвижный конус, разрез по длине.

0 Стенд включает технологический компрессор 1 с регулируемым приводом 2, стендовые входную 3 и выходную 4 магистрали, компрессор 5 и турбину 6 испытуемого турбокомпрессора, вихревую трубу, выполнен5 ную в виде цилиндрического участка 7 с входным элементом 8, причем входной элемент 8 выполнен в виде блока 10 завихрителей с тангенциально расположенными соплами 11, а выходной элемент 9 выполнен

0 в виде щелевого диффузора с кольцевой щелью 12. На входе в щелевой диффузор размещен подвижный конус 13 с отверстием 14 по оси. Подвижный конус 13 соединен с механизмом 15 управления. По оси блока

5 10 завихрителей в диафрагме 16 размещено выходное отверстие 17, соединенное с отводящей магистралью 18. Отверстие 14 на оси подвижного конуса 13 соединено с подводящей магистралью 19. Блок 10 завихрителей

0 соединен воздухопроводом 20 с выходом из технологического компрессора 1, кольцевая щель 12 щелевого диффузора соединена выходной магистралью 4 с входом в турбину 6, выход из турбины 6 соединен воздухопрово5 дом 21 с подводящей магистралью 19, а отводящая магистраль 18 соединена воздухопроводом 22 с входом в компрессор 5 испытуемого турбокомпрессора. Выхрд- ная магистраль 4 соединена отводящим пат0 рубком 23 через устройство 24 для создания пульсирующего газового потока с атмосферой. Устройство 24 для создания пульсирующего потока газа выполнено в виде заслонки 25 с приводом 26 для ее вращения.

5 В отверстие 14 подвижного конуса 13 установлен шнековый завихритель 27 с осевым входом, причем направление закрутки пластин шнека совпадает с направлением вращения приосевого вихря вихревой трубы. Устройства измерения параметров потока

по газовоздушному тракту стенда, а также агрегаты автоматики и управления стендом условно не показаны.

Предложенный стенд работает следующим образом.

При запуске с помощью механизма 15 управления перемещают подвижный конус 13 в крайнее правое положение и открывают полностью вход в кольцевую щель 12 диффузора. Заслонку 25 устройства 24 для создания пульсирующего газового потока, размещенную в отводящем патрубке 23, приводом 26 устанавливают в закрытое положение. С помощью схемы управления стендом (условно не показана) включают регулируемый привод 2 технологического компрессора 1 и увеличивают частоту вращения привода. При этом воздух поступает из атмосферы через компрессор 5 и входную магистраль 3 на вход технологического компрессора 1. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, давление Рк и /температура Тк воздуха на выходе из технологического компрессора 1 увеличиваются. Давление Рк и температура Тк на выходе из технологического компрессора 1 связаны с давлением Ртк и температурой ТТк на входе (на выходе из компрессора 5 испытуемого, турбокомпрессора) известными соотношениями:

п - 1

Рк Ртк Лк

Тк Ттк Л. п

где як - степень повышения давления в технологическом компрессоре 1 (является функцией частоты вращения привода 2):

п - показатель политролы сжатия (для адиабатного процесса сжатия воздуха п к М).

При запуске Ртк Ро и Ттк То, где РО и То - параметры воздуха на входе в компрессор 5 испытуемого турбокомпрессора.

Воздухе повышенным давлением и температурой из технологического компрессора 1 по воздухопроводу 20 поступает в блок 10 завихрителей входного элемента 8 цилиндрического участка 7, проходит через тангенциально расположенные сопла 11, получает закрутку. Закрученный поток распространяется по цилиндрическому участку элемента 8 к выходному элементу 9. При этом энергия сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию закрученного потока воздуха. Давление воздуха снижается. В цилиндрическом участке 7 в закрученном потоке за счет возникновения известного эффекта Ранка происходит энергетическое разделение потока воздуха.

Температура на периферии закрученного потока (на периферии вихря) повышается, а в приосевой области потока понижается. Кроме того, понижается давление на оси 5 закрученного потока (оси вихря). Дойдя до выходного элемента 9, периферия закрученного потока с повышенной температурой поступает на вход в кольцевую щель 12 кольцевого диффузора. В кольцевой щели

0 12 закрученный поток тормозится с мини- мальными потерями и кинетическая энергия закрученного потока преобразуется в энергию давления. Из кольцевого диффузора воздух по выходной магистрали 4 поступает

5 на вход в турбину 6. В турбине 6 воздух расширяется и совершает работу. Работа расширения воздуха в турбине 6 затрачивается на раскрутку испытуемого турбокомпрессора.Роториспытуемого

0 турбокомпрессора приходит во вращение. Воздух после расширения в турбине 6 по воздухе про воду 21 поступаете подводящую магистраль 19, а из нее через отверстие 14 и шнековый завихритель 27 в подвижном

5 конусе 13 поступает в приосевую область потока. Поступающий закрученный поток воздуха перемешивается с приосевым закрученным потоком и движется в направлении от выходного участка 9 к входному

0 участку 8 цилиндрической трубы 7. При-этом за счет энергетического разделения потока тепловая энергия приосевого потока передается периферийному потоку. Температура приосевого потока понижается, а

5 температура периферийного потока повышается. В результате энергия уходящего из турбины воздуха рекуперируется. Закрученный приосевой поток распространяется по цилиндрическому участку 7 от выходного

0 элемента 9 к входному элементу 8 и через отверстие 17 в диафрагме 16, отводящую магистраль 18, воздухопровод 22 поступает на вход в компрессор 5 испытуемого турбокомпрессора. По мере повышения частоты

5 вращения ротора турбокомпрессора с помощью схемы управления увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и перемещают механизмом 15 управления подвижный конус 13 так, чтобы температура

0 воздуха и давление на выходе из кольцевой щели 12 щелевого диффузора соответствовали заданным по условиям испытания турбокомпрессора. Параметры испытания турбины 6 и компрессора 5 контролируются

5 с помощью системы контроля и измерения (условно не показана), При воссоздании на- иболее тяжелых режимов работы турбокомпрессора, к которым относятся циклически повторяющиеся переходы от минимальной частоты вращения ротора турбокомпрессоpa до максимальной и обратно, циклически изменяют частоту вращения регулируемого привода 2 технологического компрессора 1 и площадь на входе в кольцевую щель 12 за счет перемещения подвижного конуса 13, при этом давление и температура на входе в глубину 6 циклически изменяются. При ускоренных ресурсных испытаниях с целью обеспечения максимальных динамических перегрузок и термических ударов изменяют циклически частоту вращения регулируемого привода 2 технологического компрессора 1 и площадь на входе в кольцевую щель 12 от минимальных до максимальных. При максимальной частоте вращения регулируемого привода 2 площадь на входе в кольцевую щель увеличивают, перемещая подвижный конус 13 вправо. При этом давление и температура на входе в турбину 6 будут максимальными, а при минимальной частоте вращения регулируемого привода 2 перемещают подвижный конус 13 вправо и площадь входа в кольцевую щель 12, При этом давление и температура на входе в турбину 6 будут минимальными. При таком регулировании режима работы стенда дополнительно к изменению давления и температуры воздуха изменяется расход воздуха через турбину, что повышает динамические, механические и тепловые нагрузки на компрессор и турбину испытуемого турбокомпрессора.

Затраты энергии на привод технологического компрессора 2 и работу стенда в целом по сравнению с прототипом снижаются, так как в предложенном стенде энергия сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию закрученного потока и затрачивается на энергетическое разделение закрученного потока, в результате чего периферийный поток, поступающий в турбину 6, нагревается, а приосевой поток охлаждается и поступает на вход в компрессор 5 испытуемого турбокомпрессора. А в прототипе поток воздуха дросселируется практически без изменения температуры и энергия сжатого воздуха непроизводительно теряется. Кроме того, в предложенном стенде энергия уходящего воздуха рекуперируется за счет поступления -этого воздуха в приосевую зону закрученного потока и передачи энергии этого воздуха за счет энергетического разделения периферийному потоку, поступающему в турбину 6. Температура периферийного потока повышается. В прототипе энергия уходящего из турбины воздуха выбрасывается в атмосферу и непроизводительно теряется. В результате подогрева воздуха, поступающего в турбину 6, за счет энергетического разделения в закрученном потоке с одновременной рекуперацией энергии уходящего воздуха уменьшаются необходимые степень повышения давления (повышение температуры) в технологическом компрессоре 1 и соответственно затраты энергии на привод этого компрессора.

Как показывают прикидочные расчеты при испытании турбокомпрессора ТК-34 тепловозного дизеля 10 Д 100 мощность

привода технологического компрессора в результате применения предложенного технического решения может быть снижена в 1,3-1.5 раза в зависимости от режимов испытания.

Таким образом применение предложенного стенда снижает энергозатраты при ис- пытании турбокомпрессора, улучшая условия воспроизведения натурных режимов работы испытуемого турбокомпрессора, и уменьшает тепловое загрязнение окружающей среды.

Формула изобретения Стенд для испытания турбокомпрессора, содержащий компрессор с регулируемым приводом, входной патрубок которого присоединен к выходному патрубку компрессора испытуемого турбокомпрессора, а отводящий патрубок через тангенциальный выход вихревой трубы соединен с пульсатором газового потока и с входом турбины испытуемого турбокомпрессора, вихревая труба выполнена в виде цилиндрического участка с входным и выходным элементами, причем входной элемент выполнен в виде

блока завихрителей с тангенциально расположенными соплами, которые соединены магистрально с выходом компрессора, по оси блока размещено выходное отверстие, а выходной элемент выполнен в виде щелевого диффузора, на входе в который размещен подвижный конус с отверстием по оси, соединенным магистрально с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора, отличающийся тем, что , с

целью снижения энергозатрат, выходное осевое отверстие блока завихрителей соединено с входом в компрессор испытуемого турбокомпрессора, а вихревая труба снабжена установленным в осевом отверстии

подвижного конуса шнековым завихрите- лем с осевым входом,

Использование: испытания лопаточных машин, в частности турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: стенд для испытания турбокомпрессора содержит компаратор 1 с регулируемым приводом 2, входной патрубок которого присоединен к выходному патрубку компрессора 5 .испытуемого турбокомпрессора, а отводящий патрубок через тангенциальный выход вихревой 16 S бы соединен с пульсатором 24 газового потока и с входом турбины 6 испытываемого турбокомпрессора. Вихревая труба выполнена в виде цилиндрического участка 7 с входным и выходным элементами 8 и 9. Входной элемент 8 выполнен в виде блока 10 завихрителей с тангенциально расположенными стенками 11, которые соединены магистралью с выходом компрессора 1, по оси блока 10 размещено выходное отверстие 17, а выходной элемент 9 выполнен в виде щелевого диффузора, на входе в который размещен подвижный конус 13с отверстием 14 по оси, соединенный магистралью с выходом из турбины 6 испытуемого турбокомпрессора. Выходное осевое отверстие 17 соединено с входом в компаратор 5 испытуемого турбокомпрессора, а вихревая труба снабжена установленным в осевом отверстии 14 подвижного конуса 13 шнековым завихрителем 27 с осевым входом. 3 ил. сл С i vj Ю Ч Ч Сл 21 Щиг1

Фиг.2

Фм.З