Испытание турбокомпрессоров

Система измерения предназначена для измерения следующих параметров:

- частоты вращения ротора;

- полных температур воздуха до и после компрессора;

- полных температур газа до и после турбины;

- статических давлений газа до и после турбины;

- статических давлений воздуха до и после компрессора.

- расходов воздуха и газа через компрессор и турбину,

- давлений топлива и масла.

Система измерения включает в себя датчики для измерения соответствующих параметров, преобразователи измеренных величин в электрический сигнал и показывающие приборы.

Частота вращения ротора (n) измеряется с помощью индукционного датчика, который генерирует электрические импульсы при вращении намагниченного конца вала ротора. Регистрация этих импульсов осуществляется частотомером с погрешностью ±0.1 в диапазоне до 9600 об/с. Импульсы от датчика вводятся в ЭВМ и представляются на экране в виде действительной частоты вращения и приведенной окружной скорости колеса компрессора U2ПР.

Полные температуры воздуха до и после компрессора (Т*К1 и Т*К3) измеряются закрытыми (в корпусах) хромель-копелевыми термопарами. Измерение полной температуры воздуха перед компрессором для повышения точности осуществляется 6-спайной дифференциальной термопарой, холодные спаи которой помещаются в термостат, где поддерживается температура 273 К с погрешностью ±0,1 К. Для измерения перепада температуры на компрессоре используется 12-ти спайная дифференциальная термопара, холодные спаи которой помещаются в трубе перед компрессором, а горячие - за ним.

Обе дифференциальные термопары предварительно градуируются в ка­лориметрическом сосуде по лабораторному термометру с ценой деления 0,1 К в диапазоне 293-473 К. Результаты градуировки закладываются в память ЭВМ в виде полиномной зависимости и используются при обработке резуль­татов измерений.

Полные температуры газа перед турбиной (Т*Т0) и за ней (Т*Т2) из­меряются одиночными закрытыми хромель-алюмелевыми термопарами. Коэффициент восстановления термопар, который представляет собой долю кине­тической энергии, перешедшую в температуру при торможении потока, должен быть не ниже 0,91 в рабочем диапазоне скоростей газа. Термопары через соответствующий преобразователь подсоединяются к ЭВМ н их показания выводятся на экран дисплея в виде значения температур. Для контроля сигнал от термопар параллельно регистрируется электронным потенциометром типа ПСР с погрешностью ± 10°С. Места установки термопар располагаются за точками измерения давлений (по потоку), чтобы не искажать показания последних.

Расходы газа через турбину (GГ) и воздуха через компрессор (GВ) определяются согласно правил комитета стандартов по РД 50-213-80 суживающимися устройствами по перепаду давлений на них: Δpму  и Δрк. В качестве таких устройств используются коллекторы входа и нормальные сопла. Внутренний диаметр сопла при измерении расхода газа через турбины ТКР11 н ТКР9 - 61,0 мм, для ТКР7 - 54,0 мм и для ТКР5 - 41 мм. Для измерения расхо­да воздуха через компрессор используются коллекторы входа с внутренним диаметром 75,0 мм - для ТКР11 и ТКР9; 57,0 н 38,0 мм - для ТКР7 и ТКР 5 соответственно.

Статические манометрические и вакуумметрические давления в диапазоне 0,02-0.3 МПа (разрежение перед компрессором 5, перепады давлений на расходоизмерительных устройствах компрессора Δрк и турбины Δpму, давление за турбиной рТ2) измеряются через несколько отверстий диаметром 1-2 мм. просверленных в стенке трубы равномерно по окружности измеряемого сечения и объединенных общим коллектором. Сечения трубы в месте измерения давления должны быть равны соответствующим сечениям входных или выходных патрубков компрессора или турбины. Величины малых давлений - S, ΔрК, Δрму, рТ2 измеряются водяными пьезометрами и вводятся в ПЭВМ вручную. Для контроля возникновения помпажа компрессора используется пьезокварцевый датчик давления, установленный в трубопроводе за компрессором, сигнал с которого поступает на осциллограф.             

Для измерения полных давлений используются насадки и зонды различных конструкций, предварительно проградуированные для определения угла нечувствительности и коэффициента восстановления давления.

Высокие избыточные давления воздуха и газа(рТ3, pТ0, pтму), масла перед ТКР (рМ) и топлива перед камерой сгорания (рТОП) измеряются манометрами с диапазоном измерения 0-1,0 и 0-4,0 МПа классе точности 1,0 с последующим преобразованием в электрический сигнал для ввода в ЭВМ.

При определении показателей турбины кроме степени уменьшения давления и расхода газа необходимо рассчитать развиваемую мощность. Это можно сделать двумя способами; непосредственным измерением крутящего момента на валу при нагружении турбины каким-либо тормозным устройством (гидротормоз, индукторный или воздушный тормоз н т.п.) или по методу баланса мощностей. В этом случае турбина нагружается собственным компрессором и рассчитывается мощность последнего. Тенденция к уменьшению размеров ТКР и повышению частоты вращения ротора турбины, достигшей в настоящее время 250000 оборотов в минуту, делает практически невозможным применение тормозов, работающих на шарикоподшипниках. Кавитационные и срывные течения в гидротормозах при таких частотах вращения затруднили и их применение. Поэтому в настоящее время исследования турбинной ступени проводятся на комплектном турбокомпрессоре по методу баланса мощностей.

Система обработки результатов включает ПЭВМ, преобразователи давлений в электрический сигнал, блок связи ПЭВМ с измерительными линиями. Эти приборы размещаются на приборной стойке. Часть измеряемых величин давлений считывается с пьезометров и вводится в ПЭВМ через клавиатуру. Исходные данные и обработанные результаты представлены в виде распечатки таблицы и в виде графических зависимостей параметров компрессора и турбины, подобных показанным на рис.1, 2 и 3.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

4.1.Компрессорная ступень

Для оценки компрессорной ступени в практике исследовательских работ используются следующие размерные и безразмерные показатели:

1.        Массовый расход воздуха через ступень, кг/с

где d - диаметр измерительного сопла, м;

B0 - давление воздуха перед измерительным соплом, Па;

Т0 - температура воздуха перед измерительным соплом, К.

2. Степень повышения давления, представляющая собой отношение полных давлений после компрессора, к давлению перед ним:

2.        Адиабатический коэффициент полезного действия, равный отношению работы адиабатического сжатия к действительной работе:

где T*к1 - температура заторможенного потока воздуха перед колесом. К,

T*к3 - температура заторможенного потока воздуха после компрессора, К;

к - показатель адиабаты для воздуха;

R - газовая постоянная воздуха, Дж'(кг К),

4. Коэффициент напора компрессора, равный отношению удельной адиабатической работы сжатия к квадрату окружной скорости колеса на наружном диаметре:

5. Коэффициент расхода воздуха через компрессор:

где C1a - осевая скорость воздуха перед колесом, м/с;

ρ1 - плотность воздуха перед колесом, кг/м3:

F1 - площадь колеса компрессора на входе, м2:

где dk1 - диаметр колеса на входе, 

    dk0 - диаметр втулки колеса.

При установке приемников давления и датчиков температуры в соответствующих местах проточной части (за колесом компрессора или за диффузором) можно рассчитать те же показатели для отдельных элементов компрессора по тем же формулам, подставив в них соответствующие значения.

4.2.Турбинная ступень.

При исследованиях турбинной ступени определяются следующие показатели:

1.       Степень уменьшения давления в турбине, представляющая отношение полного давления перед турбиной к статическому давлению за ней:

2. Расход газа через турбину Gг,кг/с, равен сумме расходов воздуха через камеру сгорания Gкс и расхода топлива Gт:

α -коэффициент расхода сопла, равный 0,95;

ε - поправочный множитель на расширение воздуха 0,99;

d - диаметр измерительного сопла, м;

ρ - плотность, воздуха перед соплом, кг/м3

3. Эффектный КПД турбины:

NТе- эффективная мощность турбины;

NТрасп - располагаемая мощность газа перед турбиной.

Эффектная мощность турбины соответствует действительной мощности компрессора. Поэтому:

где Lдейст - определяется из формулы (4.3).

Располагаемая мощность турбины равна

,

где

,

Здесь Т*T0 - полная температура газа перед турбиной, К;

kГ - показатель адиабаты для газа;

Rт- газовая постоянная выпускных газов, Дж/(кг • К).

4. Пропускная способность турбины, м2:

ρ2  - плотность газа за турбиной, кг/м3;

Сад- скорость адиабатического истечения из эквивалентного сопла:

5. Относительная окружная скорость:

При испытаниях турбины по методу баланса мощностей определяется эффективный КПД турбины, который представляет собой произведение внутреннего КПД и механического КПД ТКР. Механический КПД обусловлен потерями на трение деталей вращающегося ротора о неподвижные детали подшипников и уплотнений, масло и газ. В настоящее времени нет надежной методики расчета потерь на трение в плавающих подшипниках скольжения, поэтому их определение осуществляется экспериментальным путем. Экспериментальные зависимости потерь на трение для различных узлов подшипников закладываются в программу обработки результатов испытаний в виде полиномной зависимости.