Эксперимент - чувственно-предметная деятельность в науке, направленная на познание объекта ис-следования, проверку гипотез и т.п. Выделяют следующие виды исследований в области турбоустановок:
1 Научно-исследовательские работы
2 Опытные испытания
3 Серийные испытания
4 Эксплуатационные испытания
Примечание 1: в области турбомашин исследуются термодинамические и газодинамические процессы, а также процессы горения, статическая, динамическая прочность и термопрочность. Место проведения: - НИИ РАН (институт машиноведения, институт теплофизики)
- НИИ отраслей (энергомашиностроение, теплотехника, газовый институт) (ЦКТИ им.Ползунова, ВТИ, ВНИИ ГАЗ, на кафедрах вузов и в КБ заводов).
Примечание 2: НИР обычно проводят на моделях (т.к. энергетические затраты на исследование меньше). Модели строятся на основе теории подобия, однако такие эксперименты не всегда практически осуществи-мы.
Время: НИР начинают проводить при разработке принципиально новых конструкций, при существенном росте параметров агрегатов, в целях достижения предельных показателей, а также при выявлении факторов, не объяснимых из имеющихся представлений. 2. Опытные испытания
Цель: Отработка рабочего процесса и конструкции ГТУ на реально изготовленном (головном) образце. Место проведения: - Заводские полноразмерные стенды
- Опытно - промышленные установки
- Опытно - промышленные станции
Место проведения выбрано так не случайно: требуется делать большое количество измерений, необходим высококвалифицированный персонал (машина многократно разбирается и вновь собирается). Результат: Информация о работе конкретной конструкции
Примечание 1: Опытные испытания используют данные НИР, однако в некоторых случаях (например, когда невозможно воспроизвести исследуемые явления вне конструкции из-за комплексности действующих факторов) опытные испытания могут заменять НИР.
Примечание 2: После организации серийного производства (предпосылки см. ниже) опытные испытания не прекращаются для решения двух задач: 1 Доводка ГТУ для устранения дефектов, выявленных в эксплуа-тации, 2 Проверка предложений по модернизации 2.1. Доводочные испытания
Цель: - Отладка рабочего процесса (согласование характеристик агрегата)
- Доводка конструкции узлов и агрегатов (устранение неточностей конструирования и проектирования)
- Проверка правильности выбора материалов
- Проверка оптимальности технологии изготовления
- Проверка правильности запроектированной сборки и разборки
- Проверка и наладка штатных измерительных устройств
- Анализ режимов работы
Примечание: Испытания позволяют определить слабые места машины, однако возможен износ деталей при переходных процессах.
После завершения доводочных испытаний ГТУ предъявляется на приемочные испытания.
Цель: Демонстрация определенных заказом параметров (имеется в виду режимные параметры (Ne,ηe), ресурсные показатели на этом этапе определить нельзя)
Примечание: Режим испытаний выбирается наиболее близким к режиму эксплуатации, результаты оце-ниваются заказчиком на предмет соответствия техническому заданию. При положительной оценке может быть организовано техническое производство.
3. Серийные испытания
Место проведения: Заводы изготовители после начала серийного выпуска ГТУ 3.1. Сдаточные испытания
Цель: Проверка режимных характеристик (проверка качества изготовления и сборки, выявляются дефек-ты производства)
После сдаточных испытаний машина консервируется для транспортировки, сдаточные испытания проходят все выпущенные турбоагрегаты.
3.2 Контрольные испытания Проводят после переборки двигателя после сдаточных испытаний. Не должно быть никаких отказов и де¬фектов
3.3. Длительные испытания
Цель: Проверка ресурсных возможностей двигателя Место проведения: Завод изготовитель
3.3.1. На гарантированный срок службы до первой переборки
Цель: выявление надежности двигателя
Если двигатель не вырабатывает срок службы, производство останавливают для выявления причин.
3.3.2. До полного разрушения двигателя
Цель: Выявление ресурса двигателя с ремонтами. Проводятся периодами, равными по длительности ресурсу двигателя. Между периодами проводится пере¬борка двигателя с полной дефектацией деталей. Технология переборок соответствует штатной, испытания производят до момента замены оговоренного числа деталей.
Примечание 1: Испытания 3.2 (Контрольные) и 3.3 (Длительные) производятся только в авиадвигателе -строении.
Примечание 2: В ГОСТ 20440-75 (см. ниже) испытания именуются "контрольные", однако если исполь-зовать данную классификацию, то они ближе к сдаточным (но проходят уже после того, как машина отработала определенный ресурс, определяется именно техническое состояние машины (Nmax, ηе и др. )).
3. Испытания ГТУ как вид экспериментальных исследований
Для ответа на данный вопрос можно отвечать как по вопросам 1, 2, можно рассказывать про ГОСТ 20440-75, измерительных приборах, измеряемых величинах и т.д.
На испытания ГТУ распространяется ГОСТ 20440-75."Установки газотурбинные. Методы испытаний." Объекты: стационарные энергетические и приводные газотурбинные установки, работающие по открытому циклу, а также на конвертированные судовые и авиационные газотурбинные двигатели, входящие в стационарную газотурбинную установку (ГТУ).
Примечание: Стандарт не распространяется на газовые турбины парогазовых установок, установок со свободнопоршневыми генераторами газа, утилизационные, технологические, вспомогательные и установки специального назначения.
Стандарт устанавливает методы контрольных испытаний газотурбинных установок. Место испытания: место эксплуатации ГТУ.
Примечание: Допускается проведение испытаний или их отдельных этапов на стендах предпри-ятия-изготовителя. В этом случае объем и методы испытаний должны устанавливаться по согласованию между изготовителем и потребителем в соответствии с требованиями настоящего стандарта. ГОСТ определяет следующий объем испытаний:
1) Проверка теплотехнических показателей — определение мощности, к.п.д. или удельного расхода
тепла в установленных нормальных (рабочих) условиях.
2) Проверка рабочих характеристик:
а) комплексное опробование при длительной непрерывной работе с номинальной нагрузкой;
б) проверка работы защитных устройств;
в) проверка эффективности работы системы автоматического регулирования;
г) проверка вибрационных характеристик;
д) проверка надежности пусков;
е) определение характеристик пускового процесса;
ж) определение рабочих характеристик систем автоматического управления, регулирования и за-
щиты;
3) определение характеристик основных элементов ГТУ: турбин, компрессоров, камер сгорания, теп-
лообменных аппаратов;
и) определение вредных выбросов в окружающую среду;
к) определение шумовых характеристик;
л) определение тепловыделении;
м) проверка противообледенительной системы.
Время: перед вводом ГТУ в эксплуатацию, а также для проверки технического состояния работающей машины.
Цель: проверка соответствия ГТУ требованиям ГОСТ и технической документации.
1. Схема работы ГТУ во время испытаний должна полностью соответствовать принятой для нормальной
эксплуатации, перед началом испытаний должны быть произведены осмотр и очистка проточных частей,
трубопроводов и прочих элементов газотурбинной установки. Должна быть уверенность в том, что ГТУ налажена, механическое состояние нормальное, а требуемые режимы могут быть обеспечены. Готовность газотурбинной установки к испытаниям и сроки их начала устанавливаются по согласованию между изготовителем и потребителем.
5. Условия проведения испытаний
2. Испытания должны проводиться при внешних условиях возможно более близких к нормальным (рабочим) условиям, чтобы поправки, которые нужно будет вводить для приведения результатов испытаний
к нормальным условиям, были минимальными.
3.Нормальные условия:
a для воздуха в срезе входного патрубка компрессора (компрессора низкого давления): полное давление 1,033 кгс/см2, полная температура 15°С, относительная влажность 60%;
b для уходящих газов в срезе выходного патрубка турбины (турбины низкого давления) или реге¬нератора, если ГТУ работает по регенеративному циклу, статическое давление должно быть равным 1,033 кгс/см2;
c при охлаждении рабочего тела температура охлаждающей воды на входе в теплообменник должна быть равной 15°С.
Приведение к нормальным условиям дает возможность сопоставить результаты работы ГТУ в различных условиях.
4. При испытаниях должно применяться топливо, на котором предусматривается эксплуатация ГТУ, или соответствующее ему по своим свойствам. Испытания ГТУ, предназначенных для работы на двух видах топлива, по согласованию между изготовителем и потребителем могут проводиться на одном виде топлива.
5. Испытания должны проводиться на установившихся режимах. Перед началом измерений ГТУ должна работать до полной стабилизации режима, которая считается достигнутой, когда отклонения основных величин, определяющих результат испытания, при длительной проверке не выходят за пределы, указанные в таблице 1.Для контроля стабильности режима рекомендуется в дополнение к приборам, по которым производятся отсчеты, устанавливать регистрирующие приборы.
6. При проверке теплотехнических показателей должно проводиться не менее пяти отсчетов на каждом опыте (режиме), установленном программой испытании (это позволяет иметь вероятность при оценке случайной погрешности равной 0,95) . Суммарное время опыта должно быть в пределах 15—60 мин.
7. При одновременном применении нескольких суммирующих приборов начальный и конечный отсчет по ним должен производиться одновременно.
8. Измерение параметров среды, которая транспортируется по нескольким параллельным трубопрово¬дам необходимо производить в каждом из них. В случаях, когда измеренные таким методом величины мо¬гут вызвать недопустимую погрешность при их усреднении, следует измерять расход (или долю) вещества в каждом трубопроводе и для расчетов принимать средневзвешенные значения параметров.
9. Рекомендуется проводить проверку показателей ГТУ при: максимальной нагрузке (при максимальной температуре газов); номинальной нагрузке; расчетном отношении температур Tit/Tik,где Tit— температура газов на входе в турбину, а Tik - температура воздуха на входе в компрессор (компрессор низкого давления); нагрузках, равных 75, 50 и 25% от номинальной и на холостом ходу.
10. Результаты испытаний необходимо занести в бланки, подписанные испытателем. Полный комплект неисправленных бланков (или их копий) и лент самопишущих приборов по согласованию между изго-товителем и потребителем передается представителям каждой из заинтересованных сторон.
11. Если при проведении опытов, обработке и анализе результатов испытаний будут допущены отступ-ления от предварительно установленной программы и методики испытаний, последствия этих отступлений должны быть тщательно оценены, а их допустимость согласована между изготовителем и потребителем. При невозможности достижения такого согласования результаты испытаний считаются недейст-вительными.
12. Для испытаний должны применяться приборы повышенной точности или образцовые. Приборы до и по-сле измерений должны быть протарированы, тарировочные характеристики должны храниться вместе с от-четными документами. Измерительные устройства не должны влиять на показатели ГТУ.
Погрешности измерений при испытаниях не должны превышать значений, указанных в таблице 12.6.1. Таблица 1
Наименования измеряемых величин |
Допустимые погрешности измерений |
Допустимые отклонения отдельных отсчетов от средних значе- |
Мощность. % |
0.5 |
1,0 |
Расход топлива, % |
1,0 |
2,0 |
Теплотворная способность, % |
0,4 |
2,0 |
Температура газов, % |
0,5 |
1,0 |
Частота вращения, % |
0,25 |
1,0 |
Барометрическое давление, % |
0,25 |
0,5 |
Температура воздуха перед компрессором, °С |
0,5 |
2,0 |
Относительная влажность воздуха, % |
5,0 |
10,0 |
Температура охлаждающей воды, °С |
0,2 |
2,0 |
Расход охлаждающей воды, % |
1,5 |
4,0 |
Разрежение в срезе входного патрубка компрессора, кгс/см2 |
0,0005 |
0,001 |
Избыточное давление или разрежение в срезе выходного патрубка турбины, кгс/см2 |
0,0005 |
0,001 |
Температура топлива,0С |
1 |
3 |
Примечание. В качестве контрольных при определении показателей ГТУ по согласованию между изго-товителем и потребителем могут использоваться температуры газов, измеряемые в различных характерных сечениях: на входе в турбину, на выходе из турбины, на выходе из турбины высокого или среднего давления
7 Методы определения мощности ГТУ
Измерение мощности может проводится прямым и косвенным методами. Прямое измерение мощности возможно только при измерении электрической мощности ( т.е. для энергетических ГТУ).
Измерение электрической мощности Для электрических генераторов трехфазного тока с заземленной нейтралью мощность должна изме -ряться методом трех ваттметров, для трехфазных генераторов с изолированной нейтралью - методом двух ваттметров. Для измерения электрической мощности следует применять ваттметры класса точности не ни¬же 0,2, включенные при помощи трансформаторов тока и напряжения класса точности не ниже 0,5, либо переносные однофазные или многофазные счетчики наиболее высокого класса точности. Измеряют при помощи ваттметров по следующим схемам:
1. Схема с изолированным нулем или метод двух ваттметров - рисунок 1. Достоинства: всего два ваттметра, нужны менее точные ваттметры. Недостатки: нужно еще измерять сдвиг фаз, сложно вычислять мощность.
2. Схема с выделенным нулем - рисунок 2.
Достоинства: простые, однотипные подключения; каждый ваттметр показывает отдельную нагрузку; простота вычисления (сложение).
Недостатки: нужны более точные ваттметры.
Электрическое измерение простое, т. к. есть готовые приборы на генераторах и штатные приборы измерительного комплекса.
Рисунок 1 Рисунок 2
Измерение механической мощности
Измерение производится на базе известного соотношения: N=ωM.
где М - крутящий момент, передаваемый на вал, [М]-Н*М; СО -угловая скорость, [ ω]-рад/сек, ω=πn/30.
Из приведенной ранее таблицы видно, что необходимо обеспечивать точность измерения мощности не менее δN = 0.5 % , и, так как точность измерения частоты δn = 0.25 % , отсюда ясно, что необходимо обеспечить δM≤ 0.25 .
Методы измерения крутящего момента
Измеряют обычно приборами, которые называются торсиометры - см рисунок 3 - по углу скручивания, который пропорционален приложенному крутящему моменту:
Угол закручивания замеряют различными способами:
1. Оптический метод - рисунок 4 - напротив дисков установлена лампа, диски установлены на тор-сионе, имеют отверстия. За дисками установлены фотоприемники, которые дают импульс при падении на них света. По сдвигу этих импульсов и судят о величине угла.
2. Индукционный метод - рисунок 5 - на дисках торсиона и на окружающем их статоре нарезаны зубцы, а в статоре еще установлен электромагнит. По изменению магнитной проводимости (т.к. зазор меньше когда зубцы диска проходят мимо зубцов статора и больше, когда они в разных положениях) судят о уг-ле закручивания.
При конструировании нужно выбрать число зубцов, диаметр ротора и статора, длину, чтобы закручива¬ние вала на максимальной нагрузке не превосходило углового расстояния между зубьями. Факторы, нарушающие работу торсиометров:
1. Внешние электромагнитные наводки (нужна фильтрация).
2. Нагружение вала изгибными усилиями (гибкие муфты).
3.Изменение механических характеристик вала при работе (должен быть теплоизолирован).
3. Торсиометрический метод - применяется очень редко, основан на явлении изменения магнитных ха-
рактеристик материала в зависимости от напряженного состояния.
Недостаток - очень чувствителен к помехам.
4. Тензометрический метод - на промвал наклеивают тензорезисторы и непосредственно измеряют на-
пряжения в металле. Трудность - трудно подвести и снять сигнал.
Рисунок 3
Рисунок 5
Измерение мощности с помощью гидротормозов
Присоединяют к турбине гидротормоз – рисунок 6.
Принцип работы : лопатки вращаются в камере с жидкостью, крутящий момент через жидкость переда-ется корпусу, который поворачивается и передает этот момент на силоизмеритель. Также за счет внутреннего трения жидкость нагревается (получает теплоту).
Поэтому можно измерять мощность как по теплоте: N = Qпол = ΔtЖ . СЖ . GЖ ;
так и по крутящему моменту: N = МКРω = F *L* ω .
Недостатки гидротормозов:
1.Нужен силоизмеритель.
2.Измерение и учет трения в подшипнике.
3.Учет измерений моментов от подводящих и отводящих трубопроводов.
4.Нужно иметь жидкость, стойкую к кавитации.
5.Измерение температуры жидкости на входе и выходе.
6.Нужно иметь систему подготовки, подачи, хранения рабочей жидкости.
Силоизмерители: - используются два типа: - месдозы;
- упругие силоизмерители.
Месдоза – рисунок 7 – камера, закрытая эластичной мембраной, на которую давит поршень, под-вешенный на упругой пластине и на него давит через шарик измеряемая сила. Камера заполнена маслом и в ней измеряется давление с помощью манометра.
Сила: FН = P*S , где Р – замеренное давление, S – площадь камеры.
Упругие силоизмерители – например балочный силоизмеритель – рисунок 8. Измеряемая сила пропорциональна прогибу, который меряется либо часовыми индикаторами, либо тензорезисторами. Также бывают сложные упругоизмерители – рамы – рис.4, либо деформируемые элементы с наклеенными тензоре-зисторами (шарик – рисунок 9).
Достоинства таких силоизмерителей:
- компактность;
- высокая чувствительность;
- относительная простота;
- способность воспринимать колеблющуюся нагрузку.
Недостатки:
- температурная чувствительность;
- явление гистерезиса;
- возможность возникновения пластических деформаций;
- наличие собственных частот колебаний (нужно отстраиваться от возможного резонанса).
рисунок 6
рисунок 7
рисунок 8 Рисунок 9
Изменение частоты вращения роторов
Измерение частоты вращения необходимо для: - определения мощности;
- для контроля режимов работы агрегата;
- для определения положения раб. точек на х-ках;
- для ввода этого сигнала в САУ. Во многих случаях применяются готовые устройства называемые тахометрами.
1. Механические тахометры: см. рисунок 10. Недостатки: - механическое присоединение к валу;
- невысокая точность;
- небезопасность (т.к.высокие обороты).
2. Магнито-индукционные тахометры: широко применяется, состоит из 2-х приборов : датчик тахометра и измеритель тахометра - см. рис. рисунок 11.
ДТЭ (эл. трехфазный генератор переменного тока) вырабатывает ток, а ИТЭ (трехфазный эл. двигатель) поглощает этот ток. Соединение двигателя и стрелки происходит след. образом - рисунок 12 : магниты, закрепленные на валу двигателя ИТЭ при вращении наводят в близко расположенном диске токи Фуко, которые взаимодействуют с магнитным полем магнитов и создают крутящий момент, которому противодействует спиральная пружина. Связь электроиндукционная, угол поворота стрелки пропорционален оборотам и токам Фуко.
Достоинства:
- достаточно высокая точность (0,5-1%) (но недостаточная по требованиям ГОСТа (n=0,25));
- высокая надежность.
Недостатки:
- механическое присоединение к исследуемой машине;
- ДТЭ содержит подшипники, катушку, провода т.е. не термостойкие узлы;
- проблема размещения (надо располагать в сухом прохладном месте);
- наличие вращающихся частей требует аккуратного обращения (не допускаются больш. перепады т-р);
- шумность (из-за вращающихся деталей).
Рисунок 10 Рисунок 11 Рисунок 12
3. Электро - индукционный тахометр: к валу прикреплен зубчатый диск, а рядом с диском установлен постоянный магнит с намотанной катушкой - см. рисунок 13.
При вращении к постоянному магниту подходит либо зуб, либо впадина (меняется магнитная прово¬димость, зуб - повышается, впадина - понижается) из-за колебаний магнитного поля в катушке наводится индуктивная ЭДС, сигнал снимается с концов провода. В катушке наводится переменный ток.
Частота тока: f = n * z , где Z - число зубьев.
Для измерения частоты вращения можно применить частотомер: n = f / z * 60 . Если взять число зубьев z=60, то частотомер покажет сразу обороты в минуту.
Оценка точности: даже промышленный частотомер обеспечивает точность измерения частоты не хуже чем в 1Гц , поэтому, если принять n = 6000 об/мин, f = 100 Гц или f = 100*60 = 6000 об/мин, то:
δn = Δf / f ; δn = 1/6000 *100 = 0.017%) , а по ГОСТу δn = 0,25%, т.е. видно что точность высокая и удовлетворяет требованиям ГОСТа).
Достоинства: - чрезвычайная простота прибора;
- отсутствие в приборе вращающихся элементов;
- в кач-ве зубцов можно использовать фланцевые болты;
- малые размеры;
- высокая точность. Недостатки: - низкая теплостойкость;
- негерметичность (по маслу );
- установка специального зубчатого диска на роторе;
- чувствительность к внешним эл-магнитным помехам.
Рисунок 13
Измерение мощности ГТУ тепловыми методами
1. Измерение мощности ГТУ по мощности приводимого агрегата - приводимый агрегат - нагнетатель. Мощность ГТУ: Nгту = ΔМмех.н + ΔNтеплот +Nн, где
- №i - внутренняя мощность поглощаемая ЦН: Nн= Gтг*Δiг ; Δiг= iг`- Δiг``= Ср(tн// - tн/) -можно определить по разности энтальпий или температур;
- ΔNмех.н - мощность поглощаемая подшипниками и т.д.: ΔNмех.н = А * n3, коэф-т А различен для разных машин, обычно берут ΔNмех.н= 1,5 - 2,0% ;
- ΔNтеплот - теплота, отводимая от поверхности нагнетателя : пренебрегаем (т.к менее 1%);
Хотя в соответствии с ГОСТом необходимо обеспечить погрешность определения мощности δN = 0,5%, из-за большого кол-ва параметров допускается погрешность до 2% 2. Определение мощности ГТУ методом баланса
Сущность метода: вокруг ТА строится контрольный объем внутрь которого входит все оборудование ТУ и граница проходит по выходному валу -см.рисунок 13 Энергия входная: GB , iB - воздух ;
GТ , QPH , iт(iт энтальпия топлива учитывается, когда есть подогрев топлива -чтобы не выпадал газовый конденсат, экономия топлива).
Потери энергии:
ΔNтепл- тепловые потери в окр. среду (излучение, конвекция);
ΔNмех- мех. потери отводятся с теплотой масла в окр. среду;
ΔNут- утечки РТ (через уплотнения, неконтролируемые утечки, щели на фланцах);
Gr , ir - потери энергии с выхлопными газами.
Тогда мощность ГТУ: Nгту = GB * iB + Gт* (Qтр+ iт) - ΔNтепл-ΔNут - ΔNмех-Gr* ir ;
Недостатки:
- точность определения мощности очень низкая (погрешность до 7%);
- трудно определить величину теплоотдачи конвекцией: ΔNтепл= Σαi* Fi. (tiкож - ТОКРУЖ), где i - относится к участкам корпуса, т.е. необх. промерять темп. поле);
- трудно определить величину мех. потерь: ΔNмех = GM*СРМ *(tM/- tM//), GМ-расход масла;
- очень трудно определить расход утечек, чтобы определить АЧуТ ;
- очень сложно определить расход на выхлопе -нужно разбивать на большое кол-во участков и вычис
лять: G = Σ Fi * Ci* ρi , существуют большие перекосы поля скоростей (могут быть обратные токи) -см.рисунок 14
Заводы при отработке мощности ГТУ могут вычислять мощность этим методом т.к.:
- возможна организация таких измерений (имеются средства, люди, оборудование, время);
- могут проводиться комплексно, т.е. параллельно определяется множество других параметров.
Рисунок 14
3. Модификация метода баланса - метод частичного баланса
Сущность метода: контрольный объем захватывает только СТ – рисунок 15 - уменьшается объем побочных измеряемых параметров и погрешность метода до 4%
Приобететение доступа к файлам
ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.