CC BY
99
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: ntc-mtt@mail.ru
Рассохин Виктор Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «турбинные двигатели и установки». E-mail: turbo@mebil.stu.neva.ru Раков Геннадий Леонидович, кандидат технических наук, доцент
Фокин Георгий Анатольевич, кандидат технических наук, генеральный директор. E-mail: ltg@spb.ltg.gazprom.ru
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: ntc-mtt@mail.ru Viktor Rassohin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Turbine Drives and Installations". E-mail: turbo@mebil.stu.neva.ru Gennadiy Rakov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Georgiy Fokin, Candidate of Technical Sciences, General Director. E-mail: ltg@spb.ltg.gazprom.ru
