Лекции Паро- и газотурбинные установки эксперимент (лекции, билеты)

84

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Московский Государственный Технический Университет МАМИ

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

МГТУ МАМИ

Профессор С.А. Зайцев

Головнев Игорь Георгиевич

Конспект лекций

CД 4.05 Паро- и газотурбинные установки ( эксперимент )

Направление подготовки 651200 – «Энергомашиностроение»

Специальность 101400 - Газотурбинные, паротурбинные установки

и двигатели.

Москва 2006 г.

Оглавление.

1. Задачи и классификация экспериментов

1.1 Физический эксперимент………………………………………………....3

1.2 Вычислительный эксперимент…………………………………........…...8

1.3 Совмещение физического и вычислительного эксперимента………….9

2. Обработка результатов экспериментов

2.1 Погрешность эксперимента………….…………………………………...13

2.2 Методы графической обработки результатов экспериментов…………17

2.3 Регрессионный анализ…………………………………………………….21

3. Оформление результатов экспериментов…………………………………………24

4. Защита авторских прав экспериментатора………………………………………..27

5. Измерения параметров при испытаниях ГТУ и двигателей

5.1 Измерение температур……………………………………………………30

5.2 Измерение давлений……………………………………………………...45

5.3 Измерение расходов………………………………………………………53

5.4 Измерение крутящего момента и мощности……………………………61

5.5 Измерение частоты вращения……………………………………………64

5.6 Измерение деформаций и напряжений……………………………….…65

5.7 Измерение тепловых потоков…………………………………………….68

5.8 Современные средства регистрации результатов

при испытании ГТУ……………………………………………………….73

6. Испытательные установки и стенды

6.1 Испытания компрессоров………………………………………………...75

6.2 Испытания турбин ………………….…………………………………....78

6.3 Испытания камер сгорания .……………………………………………..79

6.4 Испытания теплообменников…………………………………………....81

6.5 Автоматизированные системы контроля испытаний ГТУ…………….81

Список используемой литературы………………………………………………...84

1. Задачи и классификация эксперимента.

Важнейшей составной частью процесса создания паро и газотурбинных установок ( ГТУ ) является физический и вычислительный эксперимент.

Физический эксперимент проводится с самим техническим объектом ( устройством ).

Вычислительный эксперимент проводится на математической модели технического объекта.

1.1 Физический эксперимент.

Основой физического эксперимента является опыт (испытания) с конкретными условиями. Целью физического эксперимента (в дальнейшем эксперимента, испытания) является установление действительных характеристик создаваемой ГТУ, проверка справедливости использованных технических решений, оценка эффективности применения новых систем регулирования, управлений и т.п.

Постановка и организация испытаний определяются их назначением. Эксперименты различаются по целям исследований (поисковые, контрольные, констатирующие), по характеру внешних воздействий на исследуемые ГТУ, по организации проведения (лабораторные, натурные, заводские, государственные…), по числу варьируемых факторов (одно - многофакторный)…

Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением стандартных приборов, специальных моделирующих стендов, устройств и т.п. Чаще всего в лабораторном эксперименте исследуется не натурная ГТУ а ее модель (образец). Такой эксперимент позволяет с необходимой точностью изучить влияние различных параметров на характеристики ГТУ, получать обширную техническую информацию с минимальными затратами времени и материальных ресурсов. Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса ГТУ, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента. Натурный эксперимент проводится на реальной ГТУ в естественных условиях. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных ГТУ. В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на заводские (производственные), полигонные и т.п. Натурный эксперимент требует значительной подготовки и планирования, рационального подбора методов исследований. Практически во всех случаях основная научная проблема натурного эксперимента - обеспечить достаточное соответствие (адекватность) условий эксперимента реальной ситуации, в которой будет работать впоследствии ГТУ.

Поэтому главной задачей натурного эксперимента являются: изучение воздействия среды эксплуатации на испытуемую ГТУ, идентификация статических и динамических параметров работы, оценка эффективности функционирования ГТУ и проверка на соответствие заданным требованиям.

Эксперименты с ГТУ и их элементами являются сложными экспериментами, так как в них изучаются объекты с разветвленной структурой (можно выделить иерархические уровни) и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.

Высокая степень связности элементов приводит к тому, что изменение состояния какого-либо элемента или связи влечет за собой изменение состояния многих других элементов системы. В таких сложных объектах как ГТУ возможно наличие нескольких разных структур, нескольких разных целей испытаний.

Для проведения эксперимента необходимо четко сформулировать цель исследований (например, определение мощности, определение акустических характеристик, определение ресурса…), разработать методики и программы выполнения эксперимента, подготовить экспериментальные установки, системы измерений, регистрации и обработки, подготовить обслуживающий персонал.

Решающее значение в достижении целей эксперимента имеет то, насколько отвечает им методика испытаний. Методика - это совокупность физических и умственных операций (действий, приемов), выполняемых в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель (цели) исследовательских работ. При разработке методики проведения эксперимента с ГТУ необходимо предусматривать: проведение предварительного анализа ожидаемых характеристик и диапазона их изменения; создание условий, в которых должно проводиться экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение случайных факторов…), определение пределов измерений; обеспечение систематического наблюдения за ходом развития процесса в ГТУ и точное описание имеющих место фактов; проведение систематической регистрации измерений; проведение первичной и заключительной обработки результатов; обеспечение анализа результатов эксперимента и представление их в отчетном документе.

Правильно и обоснованно составленная методика эксперимента предопределяет его ценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики испытаний должно проводиться особенно тщательно специалистами, обеспечивающими решение всех вопросов по данному объекту испытаний. Методика испытаний должна соответствовать современному уровню развития науки и техники. Целесообразно проверить возможность использования методик, применяемых в смежных проблемах и научных направлениях.

До начала каждого эксперимента составляется его программа, включающая в себя как правило следующие основные разделы: цель испытаний, объект испытаний, методика испытаний, экспериментальная установка, системы измерений, регистрации, обработки, сроки, объем и последовательность испытаний, форма отчетности, специальные требования, состав бригады испытателей и разделение ответственности и т.п.

Программа испытаний составляется ответственными исполнителями и утверждается заказчиками данного объекта.

Применение математической теории эксперимента позволяет в ряде случаев уже при планировании определенным образом оптимизировать объем экспериментальных исследований и повысить их точность. Перед экспериментом надо выбрать варьируемые факторы, т. е. установить основные и второстепенные характеристики, влияющие на исследуемый процесс, проанализировать расчетные схемы. На основе подобного всестороннего анализа воздействующие факторы классифицируются и расставляются в ряд по степени влияния на ту или иную характеристику ГТУ. Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, так как фактически эксперимент сводится к нахождению зависимостей между этими факторами. Иногда бывает трудно на данном этапе выявить роль основных и второстепенных факторов. Основным принципом установления степени важности фактора является его роль в процессе ГТУ. Для решения этого вопроса изучается влияние от одной переменной (например, температура воздуха на входе в ГТУ) при остальных постоянных.

Необходимо также научно обосновать выбор средств и методов измерений, регистрации и обработки, экспериментального оборудования и установок.

Естественно, что в первую очередь следует использовать при испытаниях ГТУ стандартные средства измерений, работа с которыми регламентируется соответствующими ГОСТами и другими официальными документами.

При испытаниях современных ГТУ и их элементов может возникнуть потребность в создании уникальных приборов, установок, стендов, систем измерений и регистрации. При этом должно быть выполнено обоснование возможности создания уникальных средств с обеспечением заданной точности измерений.

При экспериментальных исследованиях одного и того же процесса (наблюдениях и измерениях) повторные отсчеты на приборах (в ручном или автоматическом режимах), как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами - неоднородностью свойств изучаемого тела, несовершенством приборов и т.п. Чем больше таких факторов, влияющих на результаты, тем возможно большее их расхождение между собой и от средних значений. Это требует повторных измерений. Следовательно, важно знать их допустимое минимальное количество. Под необходимым (допустимым) минимальным количеством измерений понимают такое количество их, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Установление потребного минимального количества измерений имеет большое значение, так как обеспечивает получение достаточно объективных результатов при минимальных затратах времени и средств.

Важным разделом методики испытаний является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится в конечном итоге к представлению их в удобной для анализа форме (таблицы, графики, формулы, монограммы), позволяющие быстро и надежно сопоставлять полученное и проанализировать результаты. Все переменные изучаемых процессов должны оцениваться в единой системе единиц измерения физических величин.

Особое внимание в методике эксперимента должно быть уделено математическим методам обработки и анализу экспериментальных данных: установлению эмпирических (корреляционных) зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими параметрами, установлению критериев, доверительных интервалов и др.

В условиях необходимости интенсификации экспериментов, важнейшее место должно отводиться его автоматизации с вводом экспериментальных данных непосредственно в ЭВМ (ПЭВМ) которая может быть и управляющей самим экспериментом.

Одно из центральных мест в эксперименте занимают измерения.

Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (сравнение измеряемой величины с известной величиной, принятой за эталон). Комплекс вопросов, связанных с измерениями при экспериментах (выбор методов и средств, тарировка, определение погрешности и т.п.) составляет понятие метрологического обеспечения испытаний.

Методы измерения подразделяются на прямые и косвенные. При прямых измерениях искомую величину находят непосредственно в эксперименте, при косвенных - опосредственно от других величин, найденных прямыми измерениями. Возможны следующие разновидности методов измерений.

Метод непосредственной оценки - определение значения искомой величины непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора (например измерение массы на циферблатных весах).

Метод сравнения - измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой. При нулевом методе результирующий эффект воздействия параметра на прибор доводят до нуля (например, измерение электрического сопротивления мостом с уравновешиванием).

Не менее важной частью эксперимента являются средства измерений - технические устройства, имеющие нормированные погрешности, которые обеспечивают получение необходимой информации.

Измерительным прибором называется средство измерения, предназначенное для получения определенной информации об изучаемой величине в удобной форме представления. В приборах измеряемая величина преобразуется в соответствующее показание или сигнал. Подобные приборы состоят, как минимум, из двух основных узлов: воспринимающего сигнал и преобразующего в показание.

Приборы для измерений различаются по способу отсчета значений измеряемой величины на показывающие, регистрирующие и показывающие-регистрирующие. Показывающие (аналоговые, цифровые) приборы дают сведения без каких-либо дополнительных операций (действий) экспериментатора. Регистрирующие приборы могут быть самопишущими и печатными. Самопишущие приборы (например шлейфовый осциллограф) выдают график измерений. Печатные приборы выдают измерения в виде цифр на ленте. Приборы классифицируются также по точности измерений, пределам измерений и т.п. Необходимым требованием к современным приборам является возможность стыковки их с ЭВМ ( ПЭВМ ).