Стенд для испытания турбокомпрессора

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 M 15/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОП И САН И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ вЂ”:,. 4

О О

4 (Д

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4767229/06 (22) 11.12.89 (46) 07.12.92. Бюл. N. 45 (71) Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта им, М.Т.Елизарова (72) Д.Я.Носырев и Е.Н.Никитина (56) Авторское свидетельство СССР

N 1626106, кл, G 01 М 15/00, 1988. (54) СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТУР60КОМПРЕ ССОРА (57) Использование: испытания лопаточных машин, в частности турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: стенд для испытания турбокомп рессора 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 тру8

„„5U„„1779973 А1 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 13 с отверстием 14 по оси, соединенный магистралью с выходом из турбины 6 испытуемого турбокомпрессора. Выходное осевое отверстие

17 соединено с входом в компаратор 5 ис- . Б пытуемого турбокомпрессора, а вихревая труба снабжена установленным в осевом отверстии 14 подвижного конуса 13 шнековым завихрителем 27 с осевым входом. 3 ил.

1779973

15

25

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 щелевога диффузора, на входе в.который размещен подвижный конус с отверстием по оси, соединенным магистралью с выходом из турбины испытуеь Оо 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 интенсивности закрутки приосевого вихря.

Цель достигается тем, что в предложенном стенде для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания выходное осевое отверстие блока завихрителей соединено с входом в компрессор испытуемого турбокомпрессора, а вихревая труба снабжена установленным в осевое отверстие подвижного конуса шнековым завихрителем с осевым входом.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предложенного стенда; на фиг.2 — сечение А-А на фиг.1: на фиг.3 — подвижный конус, разрез по длине.

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, выполненную 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 в виде щелевого диффузора с кольцевой щелью 12. Ка входе в щелевой диффузор размещен подвижный конус 13 с отверсти-. ем 14 по оси. Подвижный конус 13 соединен с механизмом 15 управления. По оси блока

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 соединен воздухопроводом 20 с выходом иэ технологического компрессора 1, кольцевая щель 12 щелевого диффузора соединена выходной магистралью 4 с входом в турбину 6, выход из турбины 6 соединен воздухопроводом 21 с подводящей магистралью 19, а отводящая магистраль 18 соединена воздухопроводом 22 с входом в компрессор

5 испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль 4 соединена отводящим патрубком 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.

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

1779973 по газовоздушному тракту стенда, а также агрегаты автоматики и управления стендом условно не показаны.

Предложенный стенд работает следующим образом, 5, 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 10 создания пульсирующего газового потока, размещенную в отводящем патрубке 23, приводом 26 устанавливают в закрытое положение. С помощью схемы управления стендом (условно не показана) включают ре- 15 гулируемый 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 20 компрессора 1. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, давление Р» и температура Т» воздуха на выходе из технологического компрессора 1 увеличиваются.

Давление Р» и температура Т» на выходе из 25 технологического компрессора 1 связаны с давлением Р» и температурой Тт» на входе (на выходе из компрессора 5 испытуемого. турбокомпрессора) известными соотношениями: 30 и — 1 п

Р» = Рт» Л»; T» = Тт» Rk где л» вЂ” степень повышения давления в технологическом компрессоре 1 (является функцией частоты вращения привода 2);

n — показатель политролы сжатия (для адиабатного процесса сжатия воздуха и = k

= 1,4).

При запуске Рт, = Pp и Тт = Tp, где Рр и

Tp — параметры воздуха на входе в компрессор 5 испытуемого турбокомпрессора.

Воздух с повышен ным 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 рас- 50 пространяется 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 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

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 на вход в турбину 6. В турбине 6 воздух расширяется и совершает работу. Работа расширения воздуха в турбине 6 затрачивается на раскрутку испытуемого турбокомпрессора. Ротор испытуемого турбокомпрессора приходит во вращение, Воздух после расширения в турбине 6 по воздухопроводу 21 поступает в подводящую магистраль 19, а из нее через отверстие 14 и шнековый завихритель 27 в подвижном 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 участку 8 цилиндрической трубы 7. При.атом за счет энергетического разделения потока тепловая энергия приосевого потока передается периферийному потоку. Температура приосевого потока понижается, а температура периферийного потока повышается. В результате энергия уходящего из турбины воздуха рекуперируется. Закрученный приосевой поток распространяется по цилиндрическому участку 7 от выходного 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 вращения ротора турбокомпрессора с помощью схемы управления увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и перемещают механизмом 15 управления подвижный конус 13 так, чтобы температура 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 с помощью системы контроля и измерения (условно не показана), При воссоздании наиболее тяжелых режимов работы турбокомпрессора, к которым относятся циклически повторяющиеся переходы от минимальной частоты вращения ротора турбокомпрессо1779973

45

55 ра 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 мак. симальной 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 турбокомп рессора.

Затраты энергии на привод технологического компрессора 2 и работу стенда в целом по сравнению с прототипом сни>каются, так как в предложенном стенде энерЯ гия 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 эа счет энергетического разделения периферийному потоку, поступающему в турбину 6, Температура периферийного потока повышается. В прототипе энергия ухо5

35 дящего 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 испытании турбокомпрессора, улучшая условия воспроизведения натурных режиМоВ работы испытуемого турбокомпрессора, и уменьшае 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 подви>кный 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 турбакомпрессора, а вихревая труба снабжена установленным в осевом отверстии подвижного конуса шнековым завихрителем с осевым входом, 1779973

Составитель Д,Носырев

Техред М.Моргентэл КоРРектор 3.Салко

Редактор С.Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4431 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям.и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушскаа наб., 4/5