стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания
Классы МПК: | G01M15/00 Испытание машин и двигателей |
Автор(ы): | Носырев Д.Я., Росляков А.Д., Щербицкая Т.В. |
Патентообладатель(и): | Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-04-25 публикация патента:
27.02.2003 |
Стенд предназначен для испытания машин, в частности турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания, турбин и компрессоров в общем и энергетическом машиностроении. Стенд снабжен вторым рекуперативным теплообменником, теплообменником-охладителем, регулируемым нагревателем, регулируемым интерцептором. Последний выполнен в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа. В интерцепторе выполнены сквозные отверстия, расположенные по образующей корпуса. Сквозные отверстия через управляемые клапаны соединены с атмосферой. Входная магистраль сообщена входом с атмосферой, соединена посредством вторых контуров второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины турбокомпрессора. Выходная магистраль выходом сообщена с атмосферой. Посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и технологического компрессора выходная магистраль соединена с выходом компрессора турбокомпрессора. Регулируемый интерцептор установлен на входе в компрессор турбокомпрессора. Выход турбины турбокомпрессора сообщен с первой управляемой задвижкой. Последняя установлена в соединительной магистрали. Выход турбины сообщен с интерцептором посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника и теплообменника-охладителя. Параллельно установлена байпасная магистраль. В последней установлена вторая управляемая задвижка. В сквозных отверстиях интерцептора установлены втулки. Втулки имеют отверстия. Втулки установлены с возможностью поворота вокруг оси и перемещения в осевом направлении. Регулируемый нагреватель выполнен в виде электрического калорифера или парогазового теплообменника. Последний первым своим контуром соединен с источником перегретого пара. Второй контур соединен с выходом второго контура первого рекуперативного теплообменника и входом в турбину турбокомпрессора. Значительно снижаются энергозатраты на испытание турбокомпрессора. Обеспечивается возможность имитации и воссоздания структуры потока на входе в компрессор. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с испытуемым компрессором, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, рекуперативный теплообменник, устройства измерения и управления, отличающийся тем, что стенд дополнительно оборудован регулируемым нагревателем, вторым рекуперативным теплообменником, теплообменником-охладителем и регулируемым интерцептором, выполненным в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны, причем входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины испытуемого турбокомпрессора, выходная магистраль сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и технологического компрессора с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор, а выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен с соединительной магистралью с установленной в ней первой управляемой задвижкой посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника и теплообменника-охладителя с входом регулируемого интерцептора, параллельно которым выполнена байпасная магистраль с установленной в ней второй управляемой задвижкой. 2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в сквозные отверстия интерцептора установлены втулки с отверстиями, причем втулки установлены с возможностью поворота вокруг оси и перемещения в осевом направлении. 3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что регулируемый нагреватель выполнен в виде электрического калорифера со схемой управления. 4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что регулируемый нагреватель выполнен в виде парогазового теплообменника, первый контур которого соединен с источником перегретого пара, а второй контур - с выходом второго контура первого рекуперативного теплообменника и входом в турбину испытуемого компрессора.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к испытанию машин, в частности турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания, и может найти применение при испытании турбин и компрессоров в общем и энергетическом машиностроении. Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, устройства измерения и управления, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, причем входная и выходная магистрали соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, а регулируемый источник газового потока соединен с входной и выходной магистралями /1/. Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается значительное количество энергии. Кроме того, в известном стенде ограничены возможности имитации и воссоздания условий по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора. Наиболее близким к предлагаемому по совокупности признаков является стенд для испытания турбокомпрессора наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, регулируемый источник газового потока, выполняемый в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, устройства измерения и управления, рекуперативный теплообменник, причем входная и выходная магистрали стенда соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, технологический компрессор соединен с входной и выходной магистралями, а рекуперативный теплообменник соединен первым контуром с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора, а вторым контуром с выходом технологического компрессора и входом в турбину /2/. Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора также непроизводительно затрачивается значительное количество энергии и не обеспечивается возможность имитации и воссоздания условий по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора. Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа. Целью изобретения является снижение энергозатрат на испытание турбокомпрессора, а также обеспечение возможности имитации и воссоздания структуры потока на входе в компрессор. Поставленная цель достигается тем, что стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с испытуемым турбокомпрессором, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым проводом, рекуперативный теплообменник, устройства измерения и управления, дополнительно оборудован регулируемым нагревателем, вторым рекуперативным теплообменником, теплообменником - охладителем и регулируемым интерцептором, выполненным в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны. Входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров последовательно установленных второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль стенда сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и технологического компрессора с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора. На входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор, а выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью с установленной в ней первой управляемой задвижной посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника и теплообменника охладителя с входом регулируемого интерцептора, параллельно которым выполнена байпасная магистраль с установленной в ней второй управляемой задвижкой. В сквозных отверстиях интерцептора установлены втулки с выходными отверстиями, причем втулки установлены в отверстия с возможностью поворота вокруг оси и перемещения в осевом направлении так, чтобы имитировать структуру потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора. Регулируемый нагреватель выполнен в виде электрического калорифера с последовательно-параллельной схемой подключения нагревательных элементов и схемой коммутации этих элементов. Регулируемый нагреватель может быть выполнен в виде парогазового теплообменника, первый контур которого соединен с источником перегретого пара, а второй контур - с выходом второго контура первого рекуперативного теплообменника и входом в турбину испытуемого турбокомпрессора. Воздух из атмосферы поступает во входную магистраль, проходит последовательно через вторые контуры второго и первого рекуперативных теплообменников, где подогреваются теплом отработавших газов, а затем дополнительно нагревается до необходимой температуры в регулируемом нагревателе. Подогретый воздух поступает на вход турбины испытуемого турбокомпрессора, расширяется в сопловых и рабочих лопатках турбины, совершает работу, а турбина приводит во вращение ротор турбокомпрессора. При расширении воздуха в турбине его температура и давление снижаются: давление становится ниже атмосферного, а температура остается достаточно высокой. После выхода из турбины воздух через открытую первую управляемую задвижку в соединительной магистрали при закрытой второй управляемой задвижке в байпасной магистрали поступает последовательно в первый контур первого рекуперативного теплообменника, где охлаждается в результате передачи тепла воздуху второго контура, и в теплообменник-охладитель, где охлаждается до необходимой температуры и поступает через центральный канал регулируемого интерцептора на вход компрессора используемого турбокомпрессора, который, вращаясь, сжимает воздух. При этом давление и температура воздуха повышаются. Однако давление остается ниже атмосферного. Воздух далее поступает на вход технологического компрессора, где его давление и температура повышаются. В результате давление становиться выше атмосферного. Нагретый в компрессорах воздух поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника, где передает тепло воздуху второго контура и отводится в атмосферу. В результате рекуперации тепла и снижения давления воздуха в магистралях стенда в несколько раз снижаются энергозатраты на испытание турбокомпрессора. Для имитации и воссоздания условий по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора втулки в отверстиях регулируемого интерцептора устанавливают в соответствующее положение, открывают управляемые клапаны и подают дополнительный воздух в поток основного воздуха. При этом струи дополнительного воздуха для имитации зон с пониженной скоростью направляют навстречу основному потоку, а для имитации зон с повышенной скоростью струи дополнительного воздуха направляют по потоку. Количество, размеры и схема расположения втулок и отверстий в них выбраны в соответствии с количеством стоек и конструктивных элементов в потоке на входе в компрессор испытываемого турбокомпрессора. При работе стенда без подвода тепла в регулируемом нагревателе воздух из атмосферы поступает во входную магистраль проходит через второй контур второго рекуперативного теплообменника, где подогревается теплом отработавших газов, далее проходит через второй контур первого рекуперативного теплообменника и регулируемый нагреватель без подогрева и поступает на вход в турбину. В турбине воздух расширяется, совершает работу и приводит во вращение ротор турбокомпрессора, при расширении воздуха в турбине его температура и давление снижаются и становятся ниже, чем давление и температура атмосферного воздуха. После выхода из турбины воздух при открытой второй управляемой задвижке в байпасной магистрали и при закрытой первой управляемой задвижке в соединительной магистрали поступает через центральный канал регулируемого интерцептора на вход компрессора испытуемого турбокомпрессора, который вращаясь, сжимает воздух. При этом давление и температура воздуха повышаются. Воздух далее поступает на вход технологического компрессора, где его температура и давление дополнительно повышаются. Нагретый в компрессорах воздух поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника, где передает тепло воздуху второго контура и отводится в атмосферу. Такое выполнение стенда позволяет достичь цели изобретения, а именно, снизить энергозатраты на испытание турбокомпрессора, а также имитировать и воспроизводить условия по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора. Сопоставленный анализ предложенного технического решения с прототипом и аналогами показал, что предложенное техническое решение отличается наличием новых элементов, а именно, регулируемого нагревателя, второго рекуперативного теплообменника, теплообменника-охладителя и регулируемого интерцептора, выполненного в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенных по образующей корпуса сквозных отверстий, соединенных с атмосферой через управляемые клапаны, а также схемой соединения элементов между собой и с испытуемым турбокомпрессором. Это доказывает соответствие предложенного стенда критериям "новизна" и "изобретательский уровень". Сущность предмета изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 показана принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессора; на фиг.2 приведена схема регулируемого интерцептора 9 на фиг.1; на фиг.3 приведен вариант выполнения регулируемого интерцептора с втулками 19, установленными в отверстия 17 на фиг.2. Стенд содержит технологический компрессор 1 с регулируемым приводом 2, испытуемый турбокомпрессор с компрессором 3 и турбиной 4, первый рекуперативный теплообменник 5, второй рекуперативный теплообменник 6, регулируемый нагреватель 7, теплообменник-охладитель 8, регулируемый интерцептор 9, входную 10 и выходную 11 магистрали стенда, устройства измерения и управления (условно не показаны). Входная магистраль 10 стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя 7 с входом турбины 4 испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль 11 стенда сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника 6 и технологического компрессора 1 с выходом компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора. На входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор 9, а выход турбины 4 испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью 12 с установленной в ней первой управляемой задвижкой 13 посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника 5 и теплообменника-охладителя 8 с входом регулируемого интерцептора 9. Параллельно первому контуру первого рекуперационного теплообменника 5 и теплообменнику-охладителю 8 выполнена байпасная магистраль 13 с установленной в ней второй управляемой задвижкой 14. Регулируемый интерцептор 9 выполнен в виде корпуса 15 с центральным каналом 16 для прохода газа и расположенными по образующей корпуса 15 сквозными отверстиями 17, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны 18. Размеры и расположение отверстий выбраны из условия имитации и воспроизведения структуры потока на входе в компрессор 3. В сквозные отверстия 17 интерцептора 9 установлены втулки 19 с осевыми радиальными отверстиями 20 и 21. Втулки 19 установлены в отверстиях 17 с возможностью поворота вокруг оси и перемещения в осевом направлении и служат для имитации стоек и конструктивных элементов в потоке на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора. Количество, размеры и схема расположения втулок 19 и отверстий 20 и 21 в них выбраны в соответствии с количеством стоек и конструктивных элементов в потоке на входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора. Регулируемый нагреватель 7 выполнен в виде электрического калорифера со схемой управления. Регулируемый нагреватель 7 может быть выполнен также в виде парогазового теплообменника, первый контур которого соединен с источником перегретого пара, а второй контур - с выходом второго контура первого рекуперативного теплообменника 5 и входом в турбину 4 испытуемого турбокомпрессора. Вариант выполнения регулируемого нагревателя 7 условно не показан. Стенд работает в следующей последовательности. При запуске стенда включают регулируемый привод 2 на малую частоту вращения и приводят во вращение технологический компрессор 1. При этом воздух из атмосферы по входной магистрали 10, вторые контуры второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников, регулируемый нагреватель 7, турбину 4 испытуемого турбокомпрессора, соединительную магистраль 12, открытую первую управляемую задвижку 13 (вторая управляемая задвижка 14 при этом закрыта), первый контур первого рекуперативного теплообменника 5, теплообменник-охладитель 8, регулируемый интерцептор 9 и компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора поступает на вход технологического компрессора 1. При этом давление Рк и температура Tк воздуха на входе в технологический компрессор понижаются из-за потерь давления в элементах газовоздушного тракта стенда и расширения на турбине. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, в результате чего давление тк и температура Ттк на выходе из технологического компрессора 1 увеличиваются. Давление Ртк и температура Ттк на выходе из технологического компрессора 1 связаны с давлением Рк и температурой Тк на входе (на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями:PТК = PК
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199144/215.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199727/2199727-2t.gif)
где
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199003/8776.gif)
P1 = PТ/
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199727/2199727-3t.gif)
где
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199003/8776.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199003/8776.gif)
P1 = PT
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199144/215.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199727/2199727-4t.gif)
где
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199039/931.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199144/215.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
С повышением суммарной степени повышения давления
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199039/931.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199064/955.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/8226.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199727/2199727-5t.gif)
где Gпp и Gпp.г - приведенный расход воздуха в рабочей точке и на границе помпажа по напорной характеристике при неизменной приведенной частоте вращения ротора турбокомпрессора;
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199020/960.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/949.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/963.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/948.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199039/945.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/949.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/963.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199144/215.gif)
Эта величина характеризует смещение границы помпажа к рабочей линии компрессора. Эмпирический коэффициент
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199039/945.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/949.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/916.gif)
![стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, патент № 2199727](/images/patents/271/2199002/963.gif)
1. SU 1239545 C1, МПК 7 G 01 M 15/00, 20.02.2000. 2. RU 2145705 A1, МПК 7 G 01 M 15/00, 23.06.1986 (прототип).
Класс G01M15/00 Испытание машин и двигателей