CC BY
23
УДК621.165
В.А. Рассохин, Н.А. Забелин, Ю.В. Матвеев, И.С. Харисов
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ СТУПЕНЕЙ ТУРБОУСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ НА СТЕНДАХ СПБГПУ
За рубежом в различных областях автономной энергетики разработаны и широко используются газотурбинные установки мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен киловатт. В Российской Федерации в настоящее время отсутствует серийное производство аналогичных установок, а лишь проводится рядом организаций разработка и изготовление отдельных промышленных образцов.
В отечественной энергетике используются зарубежные установки указанного диапазона мощностей (Honeywell, Elliot, Capstone(CUIA), а так же Turbec(Volvo Aero Швеция)), но они имеют очень высокую стоимость, которая составляет 1200—1500 долларов за киловатт [1Л].
Поэтому разработка и создание подобных установок для российской энергетики чрезвычайно актуальны.
Эти установки нашли бы широкое использование в отечественной энергетике в качестве автономных источников для децентрализованного обеспечения электрической и тепловой энергией различных потребителей.
В последние годы Санкт-Петербургский государственный политехнический университет совместно с Научно-техническим центром «Микротурбинные технологии» и АО «Трансгаз
Санкт-Петербург» разработал серию малогабаритных установок с электрической мощностью от 20 до 500 кВт и электрическим КПД не менее 30 % [3].
Единичные образцы разработанных установок изготовлены и проходят в настоящее время стендовые и промышленные испытания. Мощност-ной ряд этих установок приводится в таблице.
В данной статье представлена методика экспериментальных исследований, уже выполненных и проводимых в настоящее время на стендах СПбГПУ с целью проверки работоспособности установок и соответствия выдаваемых параметров значениям, которые определены расчетным методом.
Объекты исследования
Экспериментальные установки для исследования характеристик турбин в основном состоят из турбины и нагрузочного устройства балансир-ного исполнения. В установках мощностью до 1 М Вт рабочие колеса исследуемых турбин и вращающиеся элементы тормозного устройства монтируются на одном валу.
В СПбГПУ были разработаны и исследованы конструкции сопловых аппаратов с малыми углами выхода потока. Аналоги подобных исследований и разработок, принадлежащих другим
Показатели отечественных микротурбинных установок, разработанных с участием СПбГТУ
Название Номинальная электрическая мощность, кВт Давление газа на входе в турбину, МПа КПД установки Скорость вращения, об/мин Ресурс, лет
Микротурбодетандерн ы й генератор МДГ-20 20 1,5 35 36000 20
Микротурбинный генератор МТГ-100 100 0,38 не менее 31 60000 20
Микропаротурбин ный генератор МПГ-500 500 3 не менее 31 20000 20
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование Г 201 2
авторам, отсутствуют в отечественной и зарубежной печати. В эксперименте использовались малые углы выхода потока из соплового аппарата (СА) с малыми углами входа потока в рабочее колесо (РК), < 10°. Были исследованы профили ЛПИ с большим относительным шагом г/В и специальным построением межлопаточных каналов лопаток осевого, центробежного, центростремительного рабочего колеса и безлопаточный СА.
Основные элементы исследуемой установки обсуждаются далее.
Методика исследования
Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 3.
Расход воздуха определяется при помощи нормальной стандартной диафрагмы и измеряемых параметров воздуха. Для обеспечения возможности определения расходов в широком диапазоне изменения начальных параметров и пропускной способности турбинных ступеней используется набор сменных диафрагм, выполненных по ГОСТ 8.586.2—2005. Дроссельное устройство обеспечивает соосность диафрагмы с трубами калиброванного мерного участка и формирует камеры отбора давлений перед и за диафрагмой. Камеры дренированы для определения перепада давлений на шайбе и давления на входе в диафрагму. Температура рабочего тела измеряется при помощи стандартной хромель-ко-пелевой термопары, установленной в первой камере дроссельного устройства.
Рис. 1. Рабочее колесо осевой турбины
Давление р^ торможения на входе в турбинную ступень измеряется с помощью четырех трубок полного напора, расположенных по окружности среднего диаметра входа в СА.
Статическое давление рх в зазоре между СА и РК измеряется у корня, в центре и на периферии ступени посредством отбора через отверстия, расположенные по шагу соплового аппарата.
Статическое давление р2 за ступенью измеряется через четыре дренажных отверстия, рав-норасположенных 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.
Все отборы давлений выведены на преобразователи, установленные на пульте управления,
с визуализацией измеряемых величин в МПа.
*
Температура торможения Т0 измеряется во входном патрубке турбины при помощи хромель-копелевой термопары, ЭДС которой измеряется и преобразуется в градусы Цельсия.
Частота вращения ротора определяется оптическим датчиком, измерение ведется непосредственно в об/мин. Датчик установлен на покачивающемся корпусе индукторного тормоза напротив торцевой части ротора.
Рис. 2. Ступень центростремительной турбины
Сила, возникающая на рычагах покачивающегося корпуса тормоза и моментомера, измеряется с помощью датчиков силы, сигналы с которых поступают на частотомеры, расположенные на пульте управления.
В качестве первичных приборов используются:
для измерения расхода — стандартная диафрагма;
для измерения полного давления — трубки Пито;
для измерения температур — хромель-копе -левые термопары;
для измерения частоты вращения — оптический датчик;
для измерения усилий — датчики силы; для измерения статического давления — дренажные отверстия.
На смазку подшипников ЗУ
Из водопровода
Из атмосферы
V V
СК_В_г№2
РК1 № 1(
В канал
Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда
Обозначения: исследуемые объекты: Т — турбина; СА — сопловый аппарат; системы и устройства: g — измерения расхода; М — масляная; В — воздушная; Вд — водяная; ит — индукторный тормоз; ков — колесо с осевым выходом; защита: СК — стопорный клапан; КП — клапан предохранительный; регулирование: ВУ — выпрямительное устройство; РК — регулирующий клапан; по месту: ЩУ — щит управления; БМ — бак масла; БВ — бак воды; по назначению: SJ— регулирование; А — сигнализация; Z— защита; В— сигнал на ЭВМ; N— запись измеряемых параметров в память ПК по команде; датчики: ДС — датчик усилий; Н— концевой выключатель; У— частота вращения;
^ — температура; Р — давление; АР — перепад давлений;
— барометрическое давление;
— температура атмосферного воздуха; | деддоГ] — выпрямительное устройство с тонкой регулировкой постоянного тока;
— командная кнопка записи экспериментальных данных;
— кнопка аварийного останова
^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование Г 2012
Обработка опытный данных
Для определения показателей, характеризующих совершенство проточных частей исследуемых объектов, и суммарных внешних характеристик ступеней разработаны методики обработки экспериментальных данных. Обработка экспериментальных данных выполняется на ПК, подключенном к пульту управления, в системе Master S CADA в режиме реального времени.
Осреднение потоков в элементах малорасходных турбин
Очевидная неравномерность течения рабочего тела в элементах турбоустановки оказывает существенное влияние на эффективность энергопреобразования и на точность определения характеристик исследуемых элементов.
Получение характеристик потока при осреднении результатов траверсирования связано с многократными измерениями параметров потока в исследуемых сечениях и дальнейшей аналитической обработкой результатов. Таким образом, на погрешность измерений накладывается погрешность вычислений, обусловленная выбором метода осреднения.
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). Вследствие этого поток рабочего тела на выходе из направляющего аппарата малоразмерной ступени представляет собой систему струй, которые не образуют осесимметричного кольцевого течения, что
СПИСОК J
1. Рассохин, В.А. Методы экспериментальных исследований высокооборотных турбоустановок |Текст| / В.А. Рассохин, С.Г. Раков // XXXV111 Неделя науки СПбГПУ,— СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2009,- С. 54-56.
2. Беседин, С.Н. Разработка и создание микротурбинного генератора электрической мощностью 100 кВт (МТГ-100) |Текст| / С.Н. Беседин // Изобретатели и инновационная политика России: Матер. Всеросс. форума / Под ред. Ю.Г. Попова
приводит к сильной неравномерности течения как по высоте, так и по шагу.
При исследовании малоразмерных устройств часто невозможно поместить приборы в контрольное сечение. Измерительные приборы могут вносить существенные возмущения в поток из-за относительно больших размеров, сравнимых с критериальными величинами исследуемого объекта, что приводит к недопустимым погрешностям.
В таких случаях более точным и часто единственным способом получения достоверных интеграл ьных характеристик потока является осреднение с помощью суммирующих приспособлений, измеряющих момент количества движения потока рабочего тела, — моментомеров. Крометого, спрямляющая решетка моментомера частично моделирует лопаточный аппарат рабочего колеса. Это особенно важно для сверхзвуковой ступени, так как известно, что рабочая решетка в сверхзвуковом потоке обладает направляющим действием.
Подводя итоги изложенному, можно утверждать:
1. В результате совместной работы СПбГПУ, ООО «НТЦ МТТ» и ООО «Газпромтрансгаз Санкт-Петербург» разработаны, созданы, находятся в экспериментальных исследованиях на стендах СПбГПУ и проходят опытно-промышленную эксплуатацию перспективные отечественные установки малой мощности, имеющие технические характеристики на уровне зарубежных установок аналогичной мощности.
2. Разработанные методики проведения экспериментальных исследований позволяют с достаточной точностью определять основные характеристики испытываемых образцов установок малой мощности.
и А.Г. Семенова,— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011,- С. 80-84.
3. Беседин, С.Н. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности на базе газотурбинного цикла простой схемы с сильноразвитой системой регенерации тепла [Текст] / С.Н. Беседин, H.A. Забелин, В.А. Рассохин, Т.А. Фокин [и др. j // Инновационная политика и изобретатели (Россия— начало XXI века).— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010,— С. 58—61
