Лекции Паро- и газотурбинные установки эксперимент (лекции, билеты), страница 13

Аппаратура должна быть малоинерционной и иметь собственную частоту выше (в 10-20 раз) чем основная частота пульсаций основного потока.

Порядок проведения эксперимента по определению границ устойчивой работы компрессора требует постепенного дросселирования компрессора. Появление шума и колебаний давления указывает на начало неустановившегося режима. Измерения обычно начинают до начала наступления режима с неустойчивостью. Появление помпажа во многом определяется всей конструкцией ПТУ (ГТУ) (включая вход компрессора и подсоединенные трубопроводы) поэтому эксперименты по определению неустойчивости работы компрессора желательно выполнять при работе компрессора в составе ГТУ в целом. Во время этих испытаний соответствующим образом подготавливают датчики в характерных сечениях тракта. Эксперименты проводят на всех режимах работы ГТУ (ПТУ).

Существует несколько методов снятия характеристик компрессора в составе ПТУ (ГТУ):

• дросселирование потока на выходе из компрессора

• изменение площади проходных сечений соплового аппарата турбины

• впрыск воды.

6.2 Испытание турбин.

Турбины ГТУ (ПТУ) работают в напряженных условиях (Высокие температура, скорость, пульсации, вибрации…) поэтому испытаниям турбин при доводке ГТУ (ПТУ) уделяют большое внимание. Основными задачами испытаний являются: получение характеристики турбины и определение ее надежности (ресурса). Кроме того, при испытаниях турбин необходимы измерения по определению неравномерности поля температур потока, распределению температур лопаток и дисков, вибраций, структуры потока и т.п.

Характеристики газовых турбин могут быть получены при их испытаниях на специальных стендах, при испытаниях в системе ГТУ (ПТУ) в целом, на модельных установках.

При испытаниях турбин в системе ГТУ (ПТУ) соблюдаются полностью условия в которых она работает. Этого полностью не достичь при испытаниях турбины на стенде. Однако при испытаниях в системе ГТУ (ПТУ) характеристику можно получить только лишь в узкой области вдоль линии совместной работы турбины и компрессора.

В процессе испытаний турбин с целью определения характеристик измеряют следующие параметры:

n – частота вращения турбины об/мин

P_Т1^* - давление торможения газов перед турбиной

P_Т2^* - давление торможения газов за турбиной

G – расход газа через турбину кг/с

Р₁ Р₂ – статическое давление газа

М_кр – крутящий момент на валу турбины

Т_г1^*, Т_г2^* - температура газа до и после турбины.

Данные величины позволяют определить все характерные параметры работы турбины и построить требуемые характеристики.

При создании стенда для натурных испытаний турбин предпринимаются все усилия к приближению условий эксперимента к эксплутационным условиям.

Поэтому для испытаний целесообразно использовать целиком узел турбины и камер сгорания с газосборником рис. 24. На входе в камеру сгорания характеристики потока воздуха должны соответствовать действительным особенно по части пульсаций температуры, скорости, давления и степени равномерности, углу натекания.

В состав стенда входит также тормозное устройство, источник сжатого воздуха, шумоглушитель, холодильная установка (теплообменник)

Основными элементами стенда являются: камера сгорания 4, шумоглушитель 6, гидротормоз 1, компрессор, устройство подвод воздуха 2, испытываемая турбина 5.

6.3 Испытание камер сгорания.

Камера сгорания являются ответственным элементом ГТУ; к ней предъявляются очень жесткие требования: высокая полнота сгорания, прочность и надежность, низкие гидравлические потери, заданный уровень шума (спектр). Эти требования во многом противоречивы, поэтому испытанию камер сгорания уделяется большое внимание.

При испытаниях камер сгорания определяют: гидравлические потери, полноту сгорания, акустические характеристики, срывную характеристику, поле температур и скоростей. При исследовательских испытаниях всестороннее обследуются зоны обратных токов, распределение концентрации топлива, расположение фронта пламени, уровень тепловых потоков и т.п.

Испытания проводят на специальных стендах и в составе ГТУ (ПТУ) в целом. Схема стенда и его конструктивные особенности зависят от задачи испытаний и при нятого метода измерения параметров.

Определение характеристик по полноте сгорания.

Коэффициент полноты сгорания представляет собой отношение количества тепла, выделившегося в камере сгорания по всему подведенному теплу:

где Q_под = G_T * Н_u

G_T – расход топлива кг/с

Н_u – теплотворная способность топлива дж/кг.

Q_выд = J₂^* - J₁^*

J₂^* - энтальпия газов на выходе из камеры сгорания дж/с

J₁^* - энтальпия воздуха и топлива на входе в камеру сгорания дж/с.

С учетом, что J = GC_pt , выражение для  принимает вид:

(63)

Из этого выражения видно, какие параметры необходимо измерить, чтобы определить _z.

Схема установки для определения характеристик камеры сгорания по полноте сгорания представлена на рис. 25. Воздух с необходимыми параметрами (Р^* Т^*) поступает из компрессорной станции в ресивер 3 через леминискатный вход. Далее поступает в канал 4 жаровой трубы где измеряется Р₁, Р₁^*, Т₁^*. К корпусу канала крепится камера сгорания.

На выходе из камеры сгорания установлен измерительный участок 6 где производятся измерения Р₂ Р₂^* Т₂^*. За измерительным участком расположена заслонка 7 для установления необходимого давления в камере сгорания. На выходе из камеры сгорания существует значительная неравномерность поля температур, поэтому для определения средней температуры необходимо выполнить значительное количество измерений температуры по сечению или обеспечить перемешивание газового потока.

По результатам измерений и обработки определяется коэффициент полноты сгорания _z.

Количественную оценку потерь чаще всего выполняют с помощью коэффициента потерь полного давления , где и соответственно полные давления воздуха и газов на входе в камеру и на выходе из нее. Точность определения _к.с. полностью определяется точностью определения .

6.4 Испытания теплообменников.

Надежность и экономичность работы ГТУ во многом определяется эффективностью теплообменника (как стационарного, так и вращающегося)

Задачами испытаний теплообменника являются: определение степени регенерации, гидравлических потерь, ресурса. Схема установки для испытаний теплообменника представлена на Рис. 26.

Воздух с параметрами G_в, Р1^* и Т₁^*, соответствующими действительным поступает по трубопроводу 1 в теплообменник 2 а затем по трубопроводу 3 подается в камеру сгорания 4. Газ, выйдя из камеры сгорания по трубопроводу 5 поступает в газовый тракт теплообменника 2. Пройдя теплообменник газ по трубопроводу 6 и заслонку 7, выходит в атмосферу.

Для снятия характеристик теплообменника производят измерения.

• расхода воздуха G_в (в трубопроводе 1)

• расхода топлива G_т

• расхода газа G_г (в трубопроводе 6)

• температуры и давления газа на входе и выходе из теплообменника (сечения 1 – 4 ).

Степень регенерации подсчитывается по формуле:

(64)

Наибольшие трудности связаны с определением t_В2 и t_Г2 в виду большой неравномерности полей температур.

Специфическим видом испытаний теплообменника являются испытания по определению стабильности характеристик его в течении заданного ресурса. На стабильность характеристик теплообменника ГТУ влияет прежде всего загрязнение каналов продуктами сгорания. (в частности сажа оседает на стенках каналов). При этом увеличиваются гидравлические потери и в ряде случаев уменьшается степень регенерации. В результате эффективность применения теплообменников в составе ГТУ может снизиться.

6.5. Автоматизированные системы контроля испытаний ГТУ.

Завершающим и одним из важнейших звеньев создания ГТУ являются испытания готовой установки в целом. На этом этапе проверяется соответствие показателей работы ГТУ требованиям технического задания, рассчитываются характеристики, производится оценка надежности и т.д.

Работоспособность ГТУ при этих испытаниях оценивается значительным количеством параметров:

Результаты работы с ГТУ фиксируются в протоколе испытаний, имеющем юридическую силу, как выходной документ автоматизированной (с участием человека оператора) системы контроля. Все результаты, характеризующие работу ГТУ, должны быть представлены в удобном для восприятия виде, и в удобном для представления в протоколе испытаний.

Результаты, заносимые в протокол испытаний должны быть достоверны. Достоверность их обеспечивается соответствием методов их получения, обработки и представления нормативной документации, в том числе и стандартам. При этом должна быть обеспечена требуемая скорость ввода данных – в идеальном случае в режиме реального времени.

Фактически в автоматизированной системе контроля испытаний ГТУ имеется две подсистемы: система сбора экспериментальных данных для протокола испытаний и система визуализации (для человека-оператора). Система сбора данных работает в режиме реального времени, а система визуализации – в реальном времени реакции человека, равном времени осмысливания оператором результатов. Это время на порядок больше времени, необходимого для эффективного контроля хода испытаний ГТУ. Обе подсистемы функционируют самостоятельно и объединяются средствами сетевого обеспечения. Это дает возможность регистрировать параметров ГТУ с высокой точностью. Это достигается за счет того, что значение параметров работы ГТУ опрашиваются с высокой частотой и постоянной дискретностью (в этом подсистема независима от подсистемы визуализации). Все действия связанные с обработкой команд, поступающих от человека – оператора, выполняет система визуализации, она же обеспечивает архивирование данных, их документирование, наглядное текстовое и графическое представление (эти операции могут осуществляться в течении определенного времени без влияния на ход испытаний).

Аппаратура автоматизированной системы контроля испытаний, применяемая при испытаниях ГТД в ОАОНПО «Сатурн» (1) размещена в пульте операторского управления – аппаратной стойке.

Система сбора данных построена на базе комплекса MIC – 400, включающего в себя:

• приборный корпус

• процессорную плату, жесткий диск

• крейт – контроллер

• источники питания

• модули функционирования системы для ввода сигналов: с вибродатчиков, с датчиков давления, с термопар, с тензодатчиков, с термосопротивлений,…

• модули – преобразователи частотных сигналов

• модуль ввода дискретных сигналов

• модуль вывода дискретных сигналов

В качестве базового компьютера для системы визуализации используется компьютер в промышленном исполнении на базе шасси IPC – 610.