Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к испытанию лопаточных машин, в частности турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания, и может найти широкое применение в общем и энергетическом машиностроении. Изобретение позволяет расширить диапазон режимов испытаний и снизить энергозатраты. Стенд для испытания турбокомпрессора двигателей внутреннего сгорания содержит входную и выходную магистрали стенда, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора, в качестве регулируемого привода которого использован двигатель внутреннего сгорания, устройства для создания пульсаций газового потока, выполненные в виде регулируемого дросселя с механизмом управления и вращающейся заслонки с приводом для ее вращения, размещенной на отводном патрубке, связанном с выходной магистралью, устройства измерения и управления, струйный смеситель, активный канал которого соединен с выходной магистралью технологического компрессора, а пассивный канал - с выходной магистралью двигателя внутреннего сгорания. Выходная магистраль стенда соединена перепускной магистралью с впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания, причем в месте соединения перепускной магистрали, впускного коллектора двигателя внутреннего сгорания и входной магистрали двигателя внутреннего сгорания установлен двухходовой кран, имеющий два положения: первое - входной коллектор двигателя внутреннего сгорания через входную магистраль двигателя внутреннего сгорания и воздушный фильтр соединен с атмосферой; второе - входной коллектор двигателя внутреннего сгорания через перепускную магистраль соединен с входной магистралью стенда. Привод технологического компрессора осуществляется через повышающий редуктор. Входная и выходная магистрали стенда соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора. Стенд дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, первый контур которого соединен с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора, а второй контур - с выходом технологического компрессора и пассивным каналом смесителя, 1 ил.

Изобретение относится к области испытания лопаточных машин, в частности турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания, и может найти широкое применение в общем и энергетическом машиностроении.

Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий регулируемый источник газового потока, устройства для создания пульсаций газового потока, устройства измерения и управления, а также входную и выходную магистрали. Регулируемый источник газового потока выполнен в виде технологического компрессора с регулируемым приводом. Устройства для создания пульсаций газового потока выполнены в виде регулируемого дросселя с механизмами управления и отводного патрубка, имеющего вращающуюся заслонку с приводом. Входная и выходная магистрали соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора.

Недостатком известного стенда являются ограниченный диапазон режимов испытаний и высокие энергозатраты.

Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий регулируемый источник газового потока, устройства для создания пульсаций газового потока, измерения и управления, входную и выходную магистрали, кроме того, оборудованный струйным смесителем. Регулируемый источник газового потока выполнен в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, причем в качестве регулируемого привода применяется двигатель внутреннего сгорания. Устройства для создания пульсаций газового потока выполнены в виде регулируемого дросселя с механизмом управления и отводного патрубка, имеющего вращающуюся заслонку с приводом. Входная и выходная магистрали соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, причем воздух из компрессора испытуемого турбокомпрессора поступает на вход технологического компрессора.

Недостатком этого технического решения являются ограниченный диапазон режимов испытаний и высокие энергозатраты.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Целью изобретения является расширение диапазона режимов испытаний и снижение энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий регулируемый источник газового потока, приводом которого служит двигатель внутреннего сгорания, устройства для создания пульсаций газового потока, устройства измерения и управления, входную и выходную магистрали соединенные соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, оборудован струйным смесителем, активный канал которого соединен с выходом технологического компрессора, а пассивный канал соединен с выпускным коллектором двигателя внутреннего сгорания. Из струйного смесителя смесь воздуха с отработавшими газами поступает в выходную магистраль стенда, соединенную с входом турбины технологического компрессора. Причем выходная магистраль технологического компрессора имеет отводной патрубок, снабженный вращающейся заслонкой, служащей для создания пульсаций давления газовоздушной смеси на входе турбины технологического компрессора. Поступая на вход турбины испытуемого турбокомпрессора, сжатая газовоздушная смесь совершает работу и приводит ротор турбокомпрессора во вращение. Компрессор испытуемого турбокомпрессора, вращаясь, сжимает воздух, поступающий из атмосферы. Далее часть воздуха поступает во вход технологического компрессора, а другая часть через перепускную магистраль и двухходовой кран поступает во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания. Это позволяет использовать двигатель внутреннего сгорания для сжатия воздуха параллельно технологическому компрессору и снизить нагрузку на технологический компрессор. Двухходовой кран позволяет использовать двигатель как в режиме работы с наддувом, так и в режиме работы без наддува, когда воздух поступает во впускной коллектор двигателя из атмосферы через воздушный фильтр и входную магистраль двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, привод технологического компрессора снабжен повышающим редуктором, что позволяет увеличить его производительность и эффективность. Выход из турбины соединен с первым контуром теплообменника, а второй контур соединен с выходом из технологического компрессора и входом в струйный смеситель.

Таким образом, наличие в предложенном устройстве новых элементов: повышающего редуктора, перепускной магистрали и входной магистрали двигателя внутреннего сгорания, на входе которой установлен воздушный фильтр, а также двухходового крана, установленного в месте соединения перепускной магистрали с входной магистралью двигателя внутреннего сгорания, доказывают соответствие предложенного устройства критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На чертеже показана принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания.

Стенд содержит технологический компрессор 1 с регулируемым приводом, выполненным в виде двигателя внутреннего сгорания 2. Технологический компрессор 1 с помощью входной магистрали стенда 3 соединен с выходом компрессора 4, а с помощью выходной магистрали 5 - с входом турбины 6 испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль 5 снабжена отводным патрубком 7 с устройством для создания пульсаций газового потока, выполненным в виде вращающейся заслонки 8 с приводом 9. В выходной магистрали 5 установлены регулируемый дроссель 10 с механизмом 11 управления и струйный смеситель 12, расположенный между регулируемым дросселем 10 и отводным патрубком 7. Пассивный канал смесителя 13 трубопроводом 14 соединен с выпускным коллектором 15 двигателя внутреннего сгорания 2.

Струйный смеситель 12 потоков газа и воздуха, выполненный в виде эжектора, содержит активный канал 16, который через регулируемый дроссель 10 соединен с выходом технологического компрессора 1.

Технологический компрессор 1 приводится в действие двигателем 2 внутреннего сгорания через повышающий редуктор 17. Воздух поступает во впускной коллектор 21 двигателя внутреннего сгорания 2 через двухходовой кран 18, имеющий привод 19. Двухходовой кран 18 имеет два положения: в первом воздух поступает во впускной коллектор 21 двигателя внутреннего сгорания 2 через входную магистраль 22 двигателя внутреннего сгорания 2, на входе в которую установлен воздушный фильтр 20; во втором положении воздух из компрессора 4 испытуемого турбокомпрессора поступает через входную магистраль стенда 3 в перепускную магистраль 23, откуда поступает во впускной коллектор 21 двигателя внутреннего сгорания 2. Другая часть воздуха поступает на вход технологического компрессора 1.

Нагретые газы, выходящие из турбины 6 испытуемого турбокомпрессора через магистраль 24, поступают в первый контур рекуперативного теплообменника 25, а сжатый воздух из выходной магистрали 26 технологического компрессора 1 поступает во второй контур рекуперативного теплообменника. Стрелками обозначены воздух, поступающий на вход компрессора испытуемого турбокомпрессора 4 и на вход воздушного фильтра 20, и нагретые газы, выходящие из первого контура рекуперативного теплообменника 25 и из отводного патрубка 7.

Порядок работы стенда.

При запуске стенда с помощью механизма управления 11 полностью открывают регулируемый дроссель 10, с помощью привода 9 закрывают заслонку 8 и отводной патрубок 7 разобщают с выходной магистралью 5 стенда. Двухходовой кран 18 устанавливают в первое положение. Запускают двигатель внутреннего сгорания 2 и прогревают его на малых оборотах.

После прогрева двигателя 2 увеличивают его обороты, а следовательно, и обороты технологического компрессора 1. При этом воздух по входной магистрали 3 через компрессор испытуемого турбокомпрессора 4 поступает на вход технологического компрессора 1. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, в результате чего давление и температура воздуха на выходе из технологического компрессора увеличиваются. Давление P_к и температура T_к на выходе из технологического компрессора 1 связаны с давлением P_тк и температурой T_тк на входе (на выходе из турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями P_к = P_тк·П_k, где П_k - степень повышения давления технологического компрессора (является функцией оборотов); n - показатель политропы сжатия (для адиабатного процесса n=k=1,4).

При запуске P_тк= P₀ и T=T₀, где P₀ и T₀ - параметры воздуха на входе в компрессор 4 турбокомпрессора.

Воздух с повышенным давлением и температурой после выхода из технологического компрессора 1 поступает через регулируемый дроссель 10 в активный канал 16 струйного смесителя 12. В струйном смесителе 12 воздух и отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания перемешиваются и по выходной магистрали 5 поступают на вход в турбину 6 турбокомпрессора, где расширяются и совершают работу. Ротор турбокомпрессора приходит во вращение. По мере повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора устанавливают обороты двигателя внутреннего сгорания 2 такими, чтобы температура газа на выходе из смесителя 12 (на входе в турбину 6) соответствовала заданной по условиям испытания. При этом с помощью механизма 11 управления регулируемый дроссель 10 прикрывают до получения заданных по условиям испытаний оборотов ротора турбокомпрессора. Затем с помощью системы управления двигателем внутреннего сгорания 2, служащимо для привода технологического компрессора 1, механизма 11 управления регулируемого дросселя 10 и привода 9 вращающейся заслонки 8, устанавливают заданную программой испытаний цикличность изменения параметров на входе в турбину 6.

При воссоздании наиболее тяжелых режимов работы турбокомпрессора, к которым относится циклическое повторение резкого перехода от холостого хода до максимальной нагрузки и обратно, циклически изменяют частоту вращения двигателя внутреннего сгорания 2, служащего для привода технологического компрессора 1, и проходное сечение регулируемого дросселя 10. При этом температура и давление на входе в турбину циклически изменяются.

При ускоренных ресурсных испытаниях с целью обеспечения циклических динамических перегрузок и термических ударов изменяют периодически частоту вращения двигателя внутреннего сгорания 2 и проходное сечение регулируемого дросселя 10 от минимальных до максимальных. При максимальной частоте вращения двигателя внутреннего сгорания 2 открывают полностью регулируемый дроссель 10, при этом давление и температура на входе в турбину 6 будут максимальными, а при минимальной частоте вращения двигателя внутреннего сгорания 2 прикрывают регулируемый дроссель 10, при этом давление и температура на входе в турбину 6 будут минимальными. Для создания колебаний давления газа, имитирующих выхлоп цилиндров двигателя, включают привод 9 вращающейся заслонки 8. При этих условиях создаются динамические перегрузки и термические удары, соответствующие эксплуатационным уровням. При любой цикличности изменения параметров обеспечивается синхронность изменения температуры и давления на входе в турбину 6 в соответствии с заданной циклограммой испытания. При ускоренных ресурсных испытаниях турбокомпрессора при максимальных оборотах двигателя внутреннего сгорания 2 технологического компрессора 1 увеличивают давление на входе в турбину 6 путем увеличения проходного сечения регулируемого дросселя 10, а при минимальной частоте вращения двигателя внутреннего сгорания 2 понижают давление перед турбиной путем уменьшения проходного сечения регулируемого дросселя 10. При этом создаются динамические перегрузки и термические удары на рабочее колесо турбины и компрессора 4 испытуемого турбокомпрессора, превосходящие эксплуатационные уровни.

Формула изобретения

Стенд для испытания турбокомпрессора двигателей внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали стенда, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора, в качестве регулируемого привода которого использован двигатель внутреннего сгорания с впускным и выпускным коллекторами и с входной и выходной магистралями, устройство для создания пульсаций газового потока, выполненное в виде вращающейся заслонки с приводом для ее вращения, размещенной на отводном патрубке, связанном с выходной магистралью, устройства измерения и управления, струйный смеситель, активный канал которого соединен с выходной магистралью технологического компрессора, а пассивный канал - с выходной магистралью двигателя внутреннего сгорания, причем входная и выходная магистрали стенда соединены с выходом компрессора и входом в турбину испытуемого турбокомпрессора, отличающийся тем, что выход технологического компрессора испытуемого турбокомпрессора соединен перепускной магистралью с впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания, причем в месте соединения перепускной магистрали, впускного коллектора двигателя внутреннего сгорания и входной магистрали двигателя внутреннего сгорания установлен двухходовой кран, один вход которого соединен перепускной магистралью с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, другой - с входной магистралью двигателя внутреннего сгорания, а между двигателем внутреннего сгорания и технологическим компрессором установлен повышающий редуктор, причем выходная магистраль технологического компрессора соединена посредством первого контура рекуперативного теплообменника с активным каналом струйного смесителя, а второй контур соединен с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1