Испытание турбокомпрессоров

Лабораторная работа N3

Испытание турбокомпрессоров

1.ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

В расчетах, на основании которых выбирают размеры элементов ТКР, невозможно учесть все особенности его рабочего процесса и специфичные условия работы на двигателе. Поэтому каждый создаваемый вновь типоразмер ТКР или его модификации подвергается испытаниям. Испытания ТКР, как и любой продукции, по назначению подразделяются на исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные. Готовая продукция подвергается квалификационным, предъявительским, приемо-сдаточным, периодическим, инспекционным, типовым, аттестационным и сертификационным испытаниям. На этапе разработки продукции испытания бывают доводочные, предварительные и приемочные.

Доводочные испытания проводятся на опытных или серийных образцах для отработки рабочего процесса и элементов конструкции с целью достижения наивысших показателей эффективности и надежности. В результате доводочных испытаний определяется та конструкция, которая после завершения приемочных испытаний будет готовиться к серийному производству.

Контрольные испытания служат для контроля качества изготовления и сборки ТКР путем проверки его функционирования при обкатке (или при периодических испытаниях) и соответствия его параметров требованиям технической документации. При обкатке и последующей контрольной приемке ТКР определяются характеристики компрессора и турбины в полном объеме, если ТКР продается другим потребителям, или проверяется соответствие параметров на одном, определенном документацией режиме, если ТКР устанавливается на двигатели собственного производства.

Типовым испытаниям должны подвергаться турбокомпрессоры при изменении основных деталей, оказывающих влияние па параметры эффективности и надежности конструкции. При типовых испытаниях обычно определяются полные рабочие характеристики компрессора и турбины, оцениваются параметры узла подшипников, уплотнений и прочих узлов и деталей и производится проверка их на соответствие требованиям технической документации.

Приемочным испытаниям должны подвергаться турбокомпрессоры каждого нового типоразмера или новой модификации при постановке их на серийное производство. Программа приемочных испытаний включает в себя типовые испытания и другие виды испытаний по оценке надежности и долговечности.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Результаты испытаний ТКР представляются в виде характеристик компрессора и турбины. Характеристиками компрессора и турбины называются зависимости показателей их работы от размерных или безразмерных параметров, характеризующих режим.

2.1. Характеристики центробежного компрессора

Для компрессоров наиболее распространен способ изображения характеристик в виде зависимостей степени повышения давления (πк) и адиабатического коэффициента полезного действия (ηк) от массового расхода воздуха (Gв) при постоянной частоте вращения ротора или постоянной окружной скорости колеса на наружном диаметре (U2) Подобные зависимости строятся для нескольких значений окружной скорости (как правило, от 200 до 450 м/с через 50 м/с) и, таким образом, получается совокупность зависимостей изменения πк от Gв при различных u2. Такие характеристики еще называют расходными.

Характеристики: компрессора в безразмерном виде представляют собой зависимости коэффициента полной работы ψкт, коэффициент напора ψк от безразмерного коэффициента расхода воздуха φ1.

Для сравнения показателей работы компрессора, полученных при его испытаниях в различных внешних условиях, при построении характеристик используют расход воздуха, приведенный к нормальным условиям: давлению Р*К1пр = 101325 Па или 760 мм рт. ст. и температуре Т*К1пр = 293,15 К:

,

Испытания проводятся при постоянной приведенной окружной скорости, которая рассчитывается по формуле

.

Диапазон изменения расхода воздуха зависит от типоразмера компрессора и определяется двумя крайними режимами. При максимальном расходе - это режим "запирания" компрессора или "вентиляторный" режим. При минимальном расходе - это режим помпажа. Помпаж - неустойчивый режим работы, который возникает из-за срыва потока в проточной части и проявляется в виде колебаний давления и расхода воздуха. Помпаж сопровождается прерывистым (пулеметным) звуком и зрительно фиксируется на экране осциллографа в виде волн давления частотой 2...10 Гц. Амплитуда колебаний и соответствующая ей громкость звука определяются конструкцией компрессора (тип диффузора, криволинейность каналов колеса и т.п.). У некоторых компрессоров существует предпомпажная зона в виде колебаний давления с той же частотой и небольшой амплитудой.

Рисунок 1 – Расходная характеристика компрессора ТКР7c

Рисунок 2 – Безразмерные характеристики компрессора ТКР7c

2.2. Характеристики центростремительной турбины

Характеристики турбины в большинстве случаев определяются одновременно с характеристиками компрессора при одинаковых угловых скоростях ротора. При построении характеристик турбины используют приведенные параметры аналогично тому, как это делается и при построении характеристик компрессора

Характеристики турбины комбинированного двигателя изображены на рис. 3. Обычно для анализа используются зависимости эффективного КПД турбины те пропускной способности Fт, условной адиабатической скорости истечения через эквивалентное сопло Сад, безразмерной скорости U1/Сад и приведенного расхода газа через турбину GГприв от степени расширения газа в турбине Т,

2.3. Совместная работа компрессора, турбины и двигателя

Совместная работа газовой турбины и компрессора в составе свободного турбокомпрессора на установившемся режиме двигателя определяется следующими условиями:

1 - равенством мощностей турбины Nте и компрессора Nк;

2-равенством угловых скоростей колес турбины т и компрессора к,

3- наличием определенной взаимосвязи между расходами газа через турбину Gг, воздуха через компрессор Gв и воздуха и топлива через двигатель (утечками рабочего тела пренебрегают):

где  - коэффициент избытка воздуха в цилиндрах двигателя,                                                                              

L0 - стехиометрическое соотношение воздух - топливо.      

При анализе совместной работы компрессора и двигателя используется понятие расходной характеристики двигателя. Расходная характеристика  двигателя - это зависимость степени повышения давления воздуха к от его расхода Gв при работе двигателя по режимам нагрузочной при максимальной частоте вращения и внешней скоростной характеристик. На расходной характеристике двигателя выбираются зоны преимущественных режимов его работы, которые должны находиться в зоне работы компрессора с максимальным КПД.

БЕЗМОТОРНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

3.1.Назначение и возможности

Стенды для экспериментального исследования турбокомпрессоров предназначены для испытаний как комплектных ТКР размерного ряда от ТКР5 до ТКР14, так и составных его узлов и деталей. Стенд, использующийся для исследований ТКР в экспериментальном цехе ОАО "Автодизель" позволяет выполнять следующие работы:

- определять режимные параметры работы компрессора: частоту вращения ротора, массовый расход воздуха, степень повышения давления, адиабатический коэффициент полезного действия, границу помпажа;             

- определять параметры работы турбины, мощность, частоту вращения, эффективный коэффициент полезного действия, степень уменьшения давления, пропускную способность;

- определять параметры устойчивости вращения вала ротора в подшипниках, механический коэффициент полезного действия турбокомпрессора с помощью специальной установки;             

- проводить испытания по определению вибропрочности лопаток, механической прочности колес компрессора и турбины, износостойкости подшипников, термоусталостной прочности деталей, герметичности уплотнений,

- проводить специальные исследования, направленные на совершенствование показателей эффективности и надежности ТКР (например, определение поля скоростей потока после колеса компрессора, определение поля давления перед колесом турбины, определение температурного состояния деталей турбокомпрессора на различных режимах и т.п.).

3.2.Устройство стенда

Стенд для испытаний ТКР состоит из следующих основных элементов: газовоздушных трактов компрессора и турбины, системы смазки, системы топливоподачи, системы измерения параметров и системы обработки результатов. Принципиальная схема стенда показана на рис.8.

Для вращения ротора ТКР используется горячий газ из камеры сгорания, в которую подается сжатый воздух из заводской магистрали и впрыскивается дизельное топливо.

Газовоздушный тракт турбины включает турбинную ступень турбокомпрессора 4, ресивер 5, камеру сгорания 6, которые соединены между собой трубопроводами. В подводящем трубопроводе установлены: измерительное сопло 7, регулировочный вентиль 8 с электрическим управлением, аварийная заслонка 14. Отвод газа от турбины осуществляется в атмосферу через шумопоглощающую трубу.

Воздушный тракт компрессора состоит из подводящего прямолинейного трубопровода с измерительным соплом 9, компрессорной ступени турбокомпрессора 4 и отводящей трубы с регулирующей заслонкой 13. Объем трубы от выпускного патрубка корпуса компрессора до заслонки 13 должен соответствовать объему впускного коллектора двигателей, т.к. он оказывает влияние на положение границы помпажа.

Система смазки предназначена для подачи очищенного масла к подшипникам ТКР и состоит из масляного бака 1 с системой электроподогрева, масляного насоса 2, фильтра очистки масла 3, радиатора охлаждения 15, регулировочного вентиля 17 с электрическим или ручным приводом, установленным на перепускном трубопроводе от насоса к баку.

Рис.5 - Схема стенда для определения характеристик компрессора и турбины:

I - масляный бак, 2 - масляный насос, 3 - масляный фильтр, 4-турбокомпрессор, 5 - ресивер, 6 - камера сгорания, 7 - измерительное сопло, 8 - вентиль подачи воздуха, 9 - измерительное сопло, 10 - топливный насос, 11 - топливный фильтр, 12 - регулировочный вентиль подачи топлива, 13 - регулирующая заслонка, 14 - аварийная заслонка, 15 - охладитель масла, 16 - отсечной топливный кран, 17 - регулировочный вентиль подачи масла.

Система топливоподачи предназначена для подачи необходимого количества топлива из топливной магистрали в камеру сгорания 6 и включает: насос 10, фильтр 11, регулировочный вентиль 12, установленный на перепускном трубопроводе, отсечной кран 16.