Экспериментальный стенд и методика исследования турбомашин газотурбинных установок малой мощности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 12, №1(2), 2010 УДК 536.245

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБОМАШИН ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК МАЛОЙ

МОЩНОСТИ

© 2010 С.Н. Беседин1, В А. Рассохин2, Г Л. Раков2, Т А. Фокин3

1 НТЦ «Микротурбинные технологии» 2 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 3 ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ»

Поступила в редакцию 31.03.2010

Представлено описание нового экспериментального стенда для исследования турбомашин, работающих в составе газотурбинных установок малой мощности. Приведена методика проведения и обработки опытных данных.

Ключевые слова: экспериментальный стенд, газотурбинные установки малой мощности, методика обработки данных

В настоящее время всё более широкое применение в различных областях энергетики и в транспортировки газа находят газотурбинные установки мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен киловатт. В связи с объединением для решения этой проб-лемы таких организаций как Научно-технический центр «Микротурбинные технологии», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ) и ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ» было принято решение создать автономную газотурбинную электростанцию малой мощности. Для проведения опытных исследований разрабатываемой газотурбинной установки возникла необходимость в создании экспериментального стенда, позволяющего испытывать малорасходные ступени турбин при модельных режимных параметрах. Экспериментальное оборудование смонтировано в лаборатории кафедры «Турбинные двигатели и установки» СПбГПУ. В состав стенда входят: воздуходувная станция; экспериментальная установка ЭУ-120ОС; масляная система и водяная система; системы управления, измерения и сбора экспериментальных данных. Воздуходувная станция лаборатории турбостроения имеет в своем составе три компрессора, основные характеристики которых следующие:

Беседин Сергей Николаевич, генеральный директор. E-mail: [email protected]

Рассохин Виктор Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «турбинные двигатели и установки». E-mail: [email protected] Раков Геннадий Леонидович, кандидат технических наук, доцент

Фокин Георгий Анатольевич, кандидат технических наук, генеральный директор. E-mail: [email protected]

Тип компресс-сора Расход воздуха, кг/с Давление, бар Мощность электр оприво да, МВт

К-500-61-1 8,8-10,7 7,7-11,4 3,5

360-22-1 4,9-7,6 2,4 0,7

О-325-11 5,8 1,29 0,29

Эти компрессоры могут работать как самостоятельно, так и параллельно. Внешний вид одного из них представлен на рис. 1.

Структурная схема стенда с основными элементами системы обеспечения работы установки ЭУ-120ОС и системы измерений изображена на рис. 2. Экспериментальная установка ЭУ-120ОС для исследования осе-вых турбинных ступеней состоит из индуктор-ного тормоза, исследуемой турбинной сту-пени, моментомера и эжектора (рис. 3).

Ротор установки вращается в шарико-под-шипниках, имеющих принудительную смазку и защищенных от воды дренажными устройствами и специальными уплотнениями. Для исключения потерь мощности на трение в подшипниках вала применяется усовершенствованная схема ЛМЗ и ВИГМ со взвешиванием подшипников вала в подшипниках корпуса тормоза (схема «подшипник в подшипнике»). Данная система позволяет автоматически выделять моменты механичес-кого трения в подшипниках вращения и газодинамического трения роторных поверхностей.

Рис. 1. Четырехступенчатый центробежный компрессор типа К-500-61-1 лаборатории турбостроения

СПбГПУ с двумя промежуточными холодильниками

Рис. 2. Технологическая схема стенда кафедры «Турбинные двигатели и установки» СПбГПУ для проведения опытных исследований малорасходных турбин

Основным элементом установки является нагрузочное устройство - индукторный тормоз, позволяющий проводить исследования турбин в широком диапазоне изменения мощности и частоты вращения. В конструкции индукторного тормоза применяется водяное охлаждение. Тепло от активной части якоря передается воде. Рабочее колесо исследуемой турбинной ступени устанавливается консольно на валу тормоза. Ротор экспериментальной установки ЭУ-120Тц рассчитан на максимальную частоту вращения «=50000 об/мин, максимальное отношение давлений п=30 и максимальную поглощаемую тормозом мощность Л^=300 кВт при расходе воздуха до 0=3 кг/с. Максимальный возможный

диаметр РК составляет 350 мм, минимальный корневой диаметр ступени не ограничен.

Расход воздуха определяется с помощью нормальной стандартной диафрагмы, изготовленной и установленной в соответствии с требованиями Правил РД 50-213-80 по измерениям расходов газов и жидкостей сужающими устройствами. Температура воздуха на входе в диафрагму измеряется при помощи стандартной хромель-копелевой термопары (ХК). Давление торможения в газовом потоке на входе в турбинную ступень р0 измеряется с помощью четырех трубок полного напора диаметром 1,8 мм, расположенных по окружности среднего диаметра входа в СА. Статическое давление р1 в зазоре между СА и РК измеряется у корня и

периферии ступени посредством отбора через отверстия диаметром 0,9 мм, расположенные по шагу соплового аппарата. Статическое давление за ступенью р2 измеряется через 4 дренажных отверстия, равнорасположенных на расстоянии шага по окружностям корневого и периферийного диаметров ступени. Указанные отверстия выполнены на расстоянии 6 мм от выходных кромок рабочих лопаток в диффузоре (в ступенях с диффузором) и в моментомере (при опытах с измерением момента количества

движения потока за РК). Давление за диффузором и за моментомером в опытах без диффузора

принимается равным барометрическому Р'а. Все отборы давлений выведены на преобразователи, установленные на пульте управления с визуализацией измеряемых величин в барах. Температура торможения Т0 измеряется во входном патрубке турбины термопарой ХК, ЭДС которой преобразуется в градусы.

Рис. 3. Продольный разрез экспериментальной установки ЭУ-1200С

Частота вращения ротора « определяется индукционными датчиками, установленными на покачивающемся корпусе индукторного тормоза, непосредственно в оборотах в минуту. Силы, возникающие на рычагах соплового аппарата, покачивающегося корпуса тормоза рI и момен-томера рм, измеряются с помощью датчиков силы, сигналы с которых поступают на частотомеры.

Для определения показателей, характеризующих совершенство проточных частей исследуемых объектов, и суммарных внешних характеристик ступеней разработаны методики обработки экспериментальных данных. В этих методиках, прежде всего, производится осреднение неравномерных параметров потока рабочего тела в различных сечениях проточной части опытной турбины. Вследствие небольших объемных расходов кольцевые решетки малоразмерных турбин имеют малую высоту лопаток. Кроме того, углы выхода потока из сопел малы, число сопел невелико и сопла расположены на окружности малого диаметра (косые срезы сопел имеют сильную кривизну в окружном направлении, либо эллиптичность у осесимметричных сопел), поэтому поток на выходе из соплового аппарата малоразмерной

ступени представляет собой систему струй, которые не образуют осесимметричного кольцевого течения, что приводит к сильной неравномерности течения, как по высоте, так и по шагу. При этом датчики измерительных приборов, размещаемые в определённых измерительных сечения проточной части, могут вносить существенные возмущения в поток из-за их относительно больших размеров. В таких случаях более точным и часто единственным способом получения достоверных среднеинтег-ральных характеристик потока является осреднение с помощью суммирующих приспособлений, измеряющих момент количества движения потока рабочего тела, - моментомеров. Для осреднения потока рабочего тела с помощью моментомера используются следующие уравнения (Принцип определения интегральных характеристик лопаточных аппаратов турбинных ступеней и осреднения потоков излага-ется на примере осевой турбины. Для радиальных ступеней в методике необходимо лишь заменить подстрочные обозначения координатных проекций скоростей - ъ на г, при допущении равенства нулю осевой составляющей скорости): Уравнение сохранения полной энергии:

* * * *

I = ¡о 2 = срТ 0 О 2 = I срТ0 йС.

о

Уравнение сохранения массы:

О ь =Р1С12^1 = \pfizdF.

Уравнение сохранения момента количества движения в окружном направлении:

М. = с, г Оу = I с, гйО

1и 1и 1ср ь J 1 и 1

О

Для замыкания записанной системы используется условие осреднения статичес-кого давления на выходе из соплового аппарата:

Р1 =

(1/ Fi )J pdF ,

которое получается при использовании сохранения потока полного импульса, характеризующего силовое взаимодействие потока с решеткой. Данное правило осреднения следует непосредственно и из определения силы давления. Таким образом, для определения характеристик соплового аппарата имеется

система уравнений:

*

Т 0 = const, G z = pclzFi,

M iu = ciu ricpG ^

p =(1 / F))pdF.

Для решения системы конкретизируется взаимозависимость основных величин, входящих в эту систему с помощью следующих уравнений:

Уравнение состояния:

О ь = Р1. Уравнение энергии:

С,

2

c

T 0* - T1)

скоростей (из тре-

р

Уравнение связи угольника скоростей):

-2 -2 -2

С 1 = С 1 г + С 1и .

В этих уравнениях величины Т0 , М1и, Рц известны из эксперимента. Известна и кольцевая площадь кольцевая площадь соплового аппарата ^. Одномерный расчет малорасходных турбинных ступеней проводится по среднему радиусу, поэтому целесообразно использовать среднеарифметический радиус. Решая полученную систему уравнений с дополнительными соотношениями, можно найти проекции скорос-

ти

c

ciu = M и/ (ricpG £)

ciz =-A + Л/A2 + 2cpTo* -c2u

где: А = р1ср/ (О£Я) . Знак + перед

радикалом выбран исходя из физического смысла задачи.

По проекциям скоростей находятся остальные параметры потока за исследуемым сопловым аппаратом и определяются его газодинамические характеристики, такие как коэффициент расхода рр, коэффициент скорости фк, коэффициент суммарных потерь кинетической энергии действительный угол выхода потока из соплового аппарата а!.

Обработка данных проводится в следующей последовательности: 1. Статическое давление за турбиной:

p2 = | Ё pM

где п - количество дренажных отверстий на моментомере.

2. Степень расширения в турбине:

* /

П Т = Р 0 / Р 2 .

3. Располагаемый перепад энтальпий в турбине:

к-1

Н* = срТ0*[1 - (1/П )~].

4. Условная скорость, соответствующая перепаду энтальпий на ступень:

С0 = V2h0 .

вращения ротора

мерной

5. Угловая скорость индукторного тормоза:

о>1 = тт1 /30.

6. Момент на валу тормоза:

М1 = Р11.

7. Мощность, развиваемая турбиной:

= М 1ю1.

8. Плотность рабочего тела перед диафрагмой:

Р1 ш = Р 1 ш /( КТ1 ш ).

9. Внутренний КПД ступени:

П = NI /(О ь Н0), где Ок - суммарный действительный расход рабочего тела через проточную часть установки, определяемый по измерительной диафрагме.

10. Характеристическое число:

и / С 0 = п й 1срП1/( 60 С 0).

11. Статическое давление в зазоре между СА и РК:

pi = |JpudF /F=[ Ё p

n.

i2. Термодинамическая степень реактивности:

p =

k-i

I Л ^ ^ *

pi .

k-i

14 ^ " p*

i -

k-i

14 ^ " p*

i=i

2

13. Момент количества движения потока за РК, измеренный моментомером:

М 2 и = Рм 1 М .

14. Радиальная составляющая скорости за РК:

_ СрР2 К2РК

у2 г

О/ я

■ +

с 2 р 2 К2

СрР2Р1РК + 2с Т0* -

О2 я2 р 0

2М1а1

О2

М 2

г2рО2

где ¥2РК ,г2ср - торцевая площадь и радиус

решетки РК на выходе;

15. Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из РК:

С2и = М2и /(ОГ Г2ср 2

16. Абсолютная скорость на выходе из РК:

С2 = VС2и + С2г .

17. Угол выхода потока из ступени в абсолютном движении:

«2 = аГ^ё (с2г/С2и )

18. Окружная скорость на выходе из РК:

и 2 = ПГ2 срП I /30 .

19. Окружная составляющая относительной скорости на выходе из РК:

w,

и,

2и 2 и 2'

20. Скорость выхода потока из РК в относительном движении:

7 2 2 С2г + W2u .

21. Угол выхода потока из РК в относительном движении:

в 2 = аГСЪ (С 2 г^ 2 и )

22. Радиальная составляющая скорости на выходе из СА:

Срр1 К1СЛ

С" --О*- +

+

с рр1 ^СЛ + 2сТ . (ММI + М 2и )2 1-,^2 + 2срТ0---

О2 я2

КО

где ¥1СА, г1ср- торцевая площадь и радиус решетки СА на выходе;

23. Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из СА:

С1и =(МI + М2и )/ОГ1ср )

24. Абсолютная скорость на выходе из СА:

'1 — а/^!

22 С^и + С1г

25. Угол выхода потока из СА:

«1 = аГЩ (с1г/с12и 2.

26. Теоретическая скорость на выходе из СА:

г к-1 "I

2 срт0* 1 - р1 *

1 р 0 V

1- J

27. Коэффициент скорости СА:

Ф2 = с ! / с и.

28. Коэффициент суммарных потерь энергии в кольцевой решетке СА:

~ 1 2 Я 1 2 = 1 - Ф 2

29. Коэффициент потерь кинетической энергии в кольцевой решетке СА:

Яса = (с! - с 12 2 (2 к * 2

30. Теоретический расход рабочего тела через СА:

О = ьР1 Кр ,

где Ркр [м 2 ] - суммарная площадь критических сечений СА; д(к) - безразмерная плотность тока;

Ь —

к_ я

2

к + 1

к + 1 к -1

31. Коэффициент расхода СА:

О г/

ц р = /О /

32. Окружная составляющая относительной скорости на входе в РК:

W1u = С1и - ПГ1срП1 /30.

33. Относительная скорость на входе потока в РК:

7 2 2 W1u + W12 .

34. Угол входа потока в РК в относительном движении:

в1 = аГСЪ (с1 г^1и 2.

35. Теоретическая скорость выхода потока из РК в относительном движении:

- к-1

( р ^ к

w ,2 + 2 с Т, 1 р 1 1 - р 2

V р 1 V

36. Коэффициент скорости рабочей решетки:

V 2 = W 2 / W 2 ^

37. Коэффициент суммарных потерь энергии в кольцевой решетке РК:

Я 22 = 1 - V/

38. Коэффициент потерь кинетической энергии в кольцевой решетке РК:

Ярк = W 2 ^ 22 2 (2к* 2

39. Коэффициент потерь с выходной скоростью:

Я ВС = с 22 / (2 к * 2

40. Критическая скорость при температуре Т0 :

2к к +1

ят\

41. Безразмерные скорости на выходе из СА:

с1, =

+

W 2, =

ак =

хС = v

С" /а,.

X С = С У

С1 /<

42. Числа Маха на выходе из СА:

M,

2

k + 1

1 - ^-i X 2C k + 1 C

Me =

2

1

-Xr

1 -

k - 1X2

-An

k +1 r1

43. Температура торможения в относительном движении на входе в РК:

2

Т * _ т +

_ Т + 2с " ^р

44. Критическая скорость при температуре Т\м, :

_

2

k +1

45. Безразмерные скорости на выходе из РК:

X =W 2

w 2 7

; xw =w 2t/

a„„, w 2t /а„

46. Числа Маха на выходе из РК:

—2— Xw

k +1 w 2t

Mw

1 - — X2w k +1 w 2t

47. Температура торможения на выходе из РК:

T = T -

N,

G £ S

T2 = T2* +

2 2

49. Плотность рабочего тела на выходе из РК:

Р 2

Р 2 =

ЛТ,

50. Температура и давление на входе в РК в относительном движении:

T * = T +

^1w 11 ^

2с.

P1w = P1

im* \

1w

T

T

V y

k-1

51. Реактивность рабочей решетки:

Pit

k-1 k-1 ^ p Л k f p Л k Pi Pl

\ro J

\ro

1 -

k-1

f P2 Л k

*

V P* y

Выводы: в работе представлено описание экспериментального оборудования и методики опытного исследования малорасходных газовых турбин для автономных электростанций малой мощности, что позволяет провести разработку таких газовых турбин в минимальные сроки и на высоком техническом уровне. Разработанная методика проведения экспериментальных исследований позволяют получить достоверные данные о потерях кинетической энергии в сопловых аппаратах, рабочих колёс и потерь с выходной скоростью малорасходных турбин, а также о влиянии РК на СА.

48. Температура на выходе из РК:

THE EXPERIMENTAL STAND AND TECHNIQUE OF RESEARCH THE TURBOMACHINES OF LOW POWER GAS-TURBINE INSTALLATIONS

© 2010 S.N. Besedin1, V.A. Rassohin2, G.L. Rakov2, T.A. Fokin3 1 STC «Microturbine Technologies» 2 St.-Petersburg State Polytechnic University 3 «GAZPROM TRANSGAS ST.-PETERSBURG» Ltd

The exposition of new experimental stand for research the turbomachines working in structure of low power gas-turbine installations is presented. The technology of testing and experimental data processing is brought.

Key words: experimental stand, low power gas-turbine installations, technology of data processing

k

*

Sergey Besedin, General Director. E-mail: [email protected] Viktor Rassohin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Turbine Drives and Installations". E-mail: [email protected] Gennadiy Rakov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Georgiy Fokin, Candidate of Technical Sciences, General Director. E-mail: [email protected]