 
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Эксплуатация, диагностика и надежность ГТУ
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Казань 2013
УДК 621.311.22
ББК 31.3-5
Э41
Эксплуатация, диагностика и надежность ГТУ: метод. указания/ сост.: Б.М. Осипов, А.В. Титов, Р.Г. Сагадеев. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2013. 75 с.
Приведены лабораторные работы, необходимые при изучении дисциплины «Эксплуатация, диагностика и надежность ГТУ».
Предназначены для студентов направления подготовки 141100.62 «Энергетическое машиностроение» профиля «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели» квалификации – бакалавр.
УДК 621.311.22
ББК 31.3-5
|
© Казанский государственный энергетический университет, 2013 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Лабораторные работы призваны помочь студентам глубже осмыслить и закрепить знания теории, полученной на лекциях. Одновременно они знакомят студентов с экспериментальными основами, являющимися важной составной частью освоения теории, методов расчета и эксплуатации газотурбинных установок (ГТУ).
В процессе проведения лабораторных работ студенты вырабатывают навыки измерения параметров рабочего тела по тракту ГТУ, учатся оценивать совершенство ГТУ и составляющих ее элементов, а также устанавливать и анализировать зависимости основных показателей ГТУ от эксплуатационных параметров.
Лабораторные работы содержат основы постановки экспериментальных учебно-исследовательских работ студентов, связанных с эксплуатацией, диагностикой и надежностью ГТУ.
Для удобства пользования каждая из лабораторных работ представлена в виде отдельной самостоятельной работы, в описании которой изложена цель работы, приведены краткие сведения из теории, дано описание экспериментального стенда, предложены методы проведения работы, математической обработки измеренных параметров и графического представления полученных результатов.
Характерным для лабораторных работ является то, что выполняются они на серийном промышленном газотурбинном двигателе (ГТД) ТГ-16М.
В описаниях лабораторных работ уделяется внимание вопросам эксплуатации двигателя (запуск, управление, работа систем, выключение двигателя и пр.).
Прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ, студенты изучают инструкцию по безопасности [3] и проходят первичный инструктаж под руководством преподавателя. Результаты инструктажа фиксируются в специальном журнале, который находится в лабораторном корпусе.
РАБОТА № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПО ТРАКТУ ГТУ
Цель работы:
изучить изменение параметров рабочего тела по тракту ГТУ;
ознакомиться с экспериментальным стендом и методикой определения параметров рабочего тела;
оценить эффективность работы двигателя и его элементов.
1.1. Краткие сведения из теории
Рабочим телом ГТУ является газ, непрерывно протекающий через двигатель: до камеры сгорания это – воздух, а после камеры сгорания – смесь воздуха с продуктами сгорания топлива в воздухе. Анализ изменения параметров рабочего тела по тракту ГТУ позволяет составить более полное представление о его действительном цикле и оценить степень совершенства как ГТУ в целом, так и отдельных его элементов.
Для решения поставленной задачи необходимо провести испытание двигателя и определить параметры рабочего тела в его характерных сечениях по тракту. Параметрами рабочего тела являются: давление (полное P* и статическое P); температура торможения Т* и расход рабочего тела G.
В основе рабочего процесса газотурбинного двигателя лежит термодинамический цикл Брайтона с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 1). В соответствии с этим циклом и выбраны характерные сечения в двигателе (рис. 2), приведены графики изменения параметров по тракту. При этом в целях наглядности представлены ГТУ с осевым компрессором.
Рис. 1.1. Термодинамический цикл энергетической ГТУ
Рис. 1.2. Функциональная схема двигателя и график изменения параметров рабочего тела по тракту
При работе двигателя на стенде атмосферный воздух поступает во входное устройство, предназначенное для подвода воздуха к компрессору с минимальными потерями и выравнивания поля скоростей и давлений в поперечном сечении канала на входе в компрессор. Скорость воздуха от значения, равного нулю, возрастает до некоторого значения, обусловленного размерами проточной части входного устройства и режимом работы двигателя. При этом статическое давление уменьшается и становится меньше атмосферного. Полное давление уменьшается в результате затрат энергии на преодоление гидравлического сопротивления во входном устройстве. Для снижения гидравлических потерь при стендовых испытаниях применяется входное устройство с профилированным (по лемнискате) входом.
Полное давление во всех случаях из-за наличия гидравлических потерь уменьшается. Температура торможения и расход воздуха во входном устройстве практически не меняется.
Из входного устройства воздух поступает в компрессор. Назначение компрессора в ГТУ – повышение давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Применение компрессора позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение коэффициент полезного действия (КПД), получить высокую мощность при небольших габаритных размерах и массе двигателя. Основной тип компрессоров ГТУ являются осевой и центробежный (в некоторых случаях – диагональный). В компрессоре статическое и полное давления, а также температура торможения увеличиваются (линия 1 – 2 на рис. 1.1). Скорость воздушного потока в компрессоре, как правило, уменьшается, что определяется профилированием его проточной части. Такой характер изменения скорости вызван необходимостью поддержания высокого КПД компрессора (особенно его последних ступеней) и снижения гидравлических потерь в компрессоре и камере сгорания, а также обеспечения в ней устойчивого процесса горения. Расход воздуха остается постоянным, если не предусмотрены отборы его, например, на нужды охлаждения горячих частей газовой турбины или иное.
Из компрессора сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где осуществляется подвод теплоты к рабочему телу в результате сгорания топлива (керосина, природного газа или других углеводородов) в потоке воздуха. При этом температура газа возрастает. В связи с существенным уменьшением плотности газа скорость потока увеличивается, а статическое давление снижается. Полное давление уменьшается из-за гидравлических сопротивлений и подвода тепла. Расход рабочего тела увеличивается на величину расхода топлива. Процесс подвода теплоты в камере сгорания представлен линией 2 – 3 (рис. 1.1).
В газовой турбине происходит отбор энергии от рабочего тела и преобразование ее в мощность на валу, используемую для привода компрессора и агрегатов, обслуживающих различные системы двигателя. В результате расширения газа в турбине его давление и температура уменьшаются, а скорость увеличивается. Расход рабочего тела остается постоянным или может увеличиться за счет сброса охлаждающего воздуха в проточную часть газовой турбины. Процесс расширения газа в турбине представлен линией 3 – 4 (рис. 1.1).
В выходном устройстве происходит выброс продуктов сгорания в атмосферу. Поскольку на расчетном режиме работы двигателя расширение газа в турбине полное, статическое давление в его выходном сечении становится равным чуть выше атмосферного. При этом полное давление уменьшается из-за гидравлических сопротивлений. Расход рабочего тела остается постоянным.
Процесс расширения газа в выходном устройстве представлен линией 4 – 1 (рис. 1.1).
Зная параметры рабочего тела в характерных сечениях двигателя и его расход, можно определить потери в каждом элементе двигателя, оценить эффективность рабочего процесса двигателя в целом, а также эффективность работы отдельных его элементов.
1.2. Описание испытательного стенда
1.2.1. Испытательный стенд
Испытательная рама для ГТД ТГ-16М состоит из бетонного основания, к которому с помощью четырех анкерных болтов крепится рама для установки ГТД, крепящегося к нему в трех точках.
Испытательная рама изготовлена из стальных профилей с последующей покраской, обеспечивающей защиту от коррозии.
Аккумуляторы установлены на полу бокса, и через клеммы присоединены к основному кабелю ГТД. Воздух всасывается из свободного пространства испытательного бокса, который должен быть оснащен достаточно мощным притоком свежего воздуха (внимание!!! Запуск и работа ГТД осуществляется только при открытых и зафиксированных на закрытие дверях бокса). Для вывода выхлопных газов испытательный бокс оснащен вытяжным трубопроводом, находящимся напротив выходного устройства ГТД.
1.2.2. Топливный и масляный контуры
ГТД ТГ-16М в стандартном исполнении оборудован автономной масляной системой, включающей в себя маслобак. В магистраль подачи горючего топливной системы необходимо включить фильтр и электрический клапан, управляемый блоком управления двигателем. Топливо подается из резервуара объемом 40 литров, расположенного над стальной рамой основания. При этом высота топливного бака рассчитана таким образом, чтобы на вход топливного насоса топливо входило с некоторым избыточным давлением. Топливопровод снабжен вентилем для перекрытия подачи топлива из бака и открывается только непосредственно перед пуском ГТД.
1.2.3. Система регулирования и управления
ГТД ТГ-16М имеет собственный блок управления двигателем, который осуществляет полный контроль за запуском и работой двигателя. Для измерения параметров двигателя используются термопара, датчик оборотов и стрелочный манометр на выходе из компрессора, которые являются основными элементами измерительной системы. Стартер-генератор контролируется путем измерения величин тока и напряжения.
1.2.4. Источник энергии
Для работы испытательного стенда требуется источник постоянного тока (батарея 24В, 12Ач/100А).
1.2.5. Описание установки
Работа выполняется на экспериментальном стенде, представляющим собой ГТД ТГ-16М, смонтированный на испытательной раме (рис. 3).
Рис. 1.3. Стенд с ГТД ТГ-16М
ГТД ТГ-16М (рис. 1.4) является одновальным газотурбинным двигателем с одноступенчатым центробежным компрессором, петлевой камерой сгорания, одноступенчатой осевой турбиной и выхлопным патрубком. Ротор двигателя установлен на двух шариковых подшипниках, смазываемых маслом под давлением. Во входной части компрессора через редуктор установлен стартер-генератор, позволяющий произвести запуск от аккумуляторной батареи, а также генерировать энергию во время работы двигателя.
Основные технические параметры ГТД:
В условиях стандартных атмосферных условиях (САУ) на уровне моря ГТД ТГ-16М обладает следующими статическими параметрами [7].
Мощность на клеммах генератора в режимах:
от 18 до 80 кВт с падением мощности до 56 – 60 кВт в течение не более 6 с.;
в эксплуатации при температуре окружающей среды -5 °С и ниже допускаются кратковременные пиковые перегрузки до 100 кВт.
Мощность на выходном валу редуктора: 69.85 – 73.53 кВт (95 – 100 л.с.).
Температура воздуха, при которой обеспечивается нормальная работа ГТД ТГ-16М на всех режимах: от -60 до +50 °С при Рн = 0.101325 МПа.
ПРИМЕЧАНИЕ. При температуре окружающего воздуха ниже -25 °С перед запуском производится подогрев ГТД ТГ-16М.
Режимы работы двигателей:
1. Режим запуска и холостого хода:
время выхода двигателя на рабочие обороты при запуске – не более 30 с.;
заброс оборотов при запуске двигателя при Тн = 288 К и Рн = 0.101325 МПа не более 35000 об/мин (100 %); при температуре Тн=273 К не более 35600 об/мин (102 %);
ПРИМЕЧАНИЕ: При забросе оборотов ротора выше максимально допустимой величины 35600 об/мин ГТД ТГ-16М подлежит переборке.
обороты ротора на режиме холостого хода при Тн = 288 К и Рн = 0.101325 МПа, 32500 – 33500 об/мин (93–96 %); при температуре Тн = 273 К, 32500 – 34000 об/мин (93 – 95%);
колебание оборотов на режиме холостого хода не более +500 об/мин (±1.5 %);
заброс температуры газов при запуске при Тн = 288 К и Рн = 0.101325 МПа не более 850 °С; при температуре Тн = 273 К не более 900 °С с восстановлением до нормальной температуры в течение 3 секунд.
Рис. 1.4. ГТД ТГ-16М
Температура газов за турбиной:
нормальная при Тн = 288 К и Рн = 0.101325 МПа не более 750 °С;
в условиях tвх = +20 °С ÷+30 °С не более 790 °С;
кратковременный заброс в течение не более 6 с не более 820 °С.
3. Компрессор:
тип – центробежный;
количество ступеней – одна;
степень повышения давления – 2.97.
расход воздуха на рабочем режиме n = 32500 об/мин (92.8 %) и температуре +15 °С – 1.87 кг/с.
4. Турбина:
тип – осевая;
количество ступеней – одна.
5. Камера сгорания:
тип – кольцевая;
количество – одна.
6. Система смазки:
тип - циркуляционная, под давлением, автономная;
сорт масла ИПМ-10, ВНИИ НП 50-1-4Ф, ВНИИ НП 50-1-4У.
ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается смешение масел ВНИИ НП 50-1-4Ф и ВНИИ НП 50-1-4У в любых соотношениях. Смешение масел ИПМ-10 между маслами ВНИИ НП 50-1-4Ф и ВНИИ НП 50-1-4У запрещается.
температура масла на входе не более 160 °С; на выходе (для сведения) не более 180 °С;
давление масла – 3.5-5.5 кгс/см2.
ПРИМЕЧАНИЕ. При запуске холодной установки допускается повышение давления масла при отрицательных температурах окружающего воздуха - до 7 кгс/см2; при положительных температурах окружающего воздуха - до 6 кгс/см2.
расход масла - не более 1.2 кг/ч;
выброс масла в суфлер за 6 запусков ГТД подряд – не более 220 г.
7. Масляный насос:
тип – шестеренчатый;
количество – один;
количество ступеней – одна нагнетающая и одна откачивающая.
8. Сигнализатор давления:
условное обозначение – СД-24А;
количество – один;
назначение – контроль давления масла включением сигнальной лампочки при Р = 3.5 кгс/см2.
9. Топливная система:
тип – от отдельного бака;
сорт топлива – ТС-1, как резервные РТ, Т-1, Т-2 (ГОСТ 10227-86) и их смеси;
давление топлива на входе в топливный насос ТНР-40МС при запуске турбогенераторной установки – 0.06-1.2 кгс/см2; на рабочих оборотах турбогенераторной установки – 0.06-1.8 кгс/см2;
выброс топлива в дренаж агрегата ТНР-40МС за 6 запусков ГТД подряд – не более 1.6 литров.
10. Сигнализатор оборотов дискретный:
условное обозначение – СОД-1-20;
тип – электронный;
назначение: сигнализация о выходе ГТД ТГ-16М на обороты холостого хода и отключение генератора со стартерного режима;
Аварийное отключение установки при n = 37100 ± 700 об/мин (106.0+2) %;
Снятие загрузки в случае снижения оборотов – на оборотах n = 28000-29400 об/мин (82+2) %.
11. Топливный насос-регулятор:
условное обозначение – ТНР-40НС;
тип – шестеренчатый;
количество – один;
назначение: обеспечение топливом ГТД ТГ-16М;
автоматическое поддержание оборотов ротора ГТД ТГ-16М;
передаточное отношение – 0.139;
давление топлива перед рабочими форсунками – не более 24 кгс/см2.
12. Рабочие форсунки:
тип – центробежные;
количество – 5;
назначение: обеспечение подачи распыленного топлива в камеру сгорания.
13. Пусковые форсунки:
тип – центробежные;
количество – 2;
назначение: обеспечение подачи распыленного топлива в воспламенители при запуске.
14. Топливный электромагнитный кран:
условное обозначение – 2512853;
количество – 4;
назначение: для управления подачей топлива в ТНР-40МС; для управления подачей топлива в форсунки; для управления сливом топлива через клапан запуска; для управления подачей топлива к воспламенителям.
15. Система запуска:
тип – автоматическая (управление панелью ПТ-16МТВ);
питание – от двух аккумуляторных батарей автомобиля КАМАЗ;
стартер – генератор ГС-24А в стартерном режиме с панелью запуска ПТ-16МТВ;
режим работы аппаратуры запуска и ГС-24А в стартерном режиме – 5 включений подряд с последующим охлаждением в течение 15 мин.
16. Система зажигания:
17. Габариты ГТД ТГ-16М:
длина – (1530±8) мм;
максимальный диаметр – не более 670 мм;
ширина – не более 575 мм.
18. Крепление установки:
19. Направление вращения ротора:
правое, если смотреть со стороны выхлопного патрубка.
1.3. Оснащение двигателя
ГТД ТГ-16М оснащен (рис. 1.5) автономной масляной системой, электрическим стартером-генератором, блоком управления, топливной системой, а также выхлопным патрубком. На раму ГТД ТГ-16М крепится при помощи трех монтажных точек.
1.3.1. Масляная система
1.3.1.1. Общие сведения
ГТД ТГ-16М оборудован автономной замкнутой, циркуляционной системой смазки (рис. 1.5), обеспечивающей постоянную подачу масла во время работы установки к трущимся поверхностям для уменьшения трения и отвода тепла, возникающего при трении. Кроме того, система смазки обеспечивает подвод масла к агрегатам, работающим на масле: топливному насосу-регулятору ТПР-40М и сигнализатору давления СД-24А II серии.
В масляную систему (рис. 1.5) входят: масляный бак 10, масляный насос 21 с масляным фильтром 16, центробежный суфлер 14, сигнализатор давления и трубопроводы.
Для смазки в процессе работы применяется масла ИПМ-10, ВНИИ НП 50-1-4Ф, ВНИИ НП 50-1-4У. Для консервации установки применяется трансформаторное масло или масло МК-8.
Контроль минимального давления масла в системе производится сигнализатором давления СД-24А. Замер температуры масла в условиях стенда производится датчиком, устанавливаемым на маслораспределительной колонке штуцером 5.
Рис.1.5. Схема масляной системы
1 – газотурбинный двигатель ТГ-16М; 2 – топливный насос-регулятор ТНР-40М; 3 – маслораспределительная колонка; 4 – штуцер для замера давления масла; 5 – замер температуры масла; 6 – сигнализатор давления СД-24А II серия; 7 – редуктор; 8 – подвод воздуха для наддува лабиринтных уплотнений; 9 – генератор ГС-24А; 10 – масляный бак; 11 – заливная горловина; 12 – щуп для замера количества масла; 13 – патрубок суфлера; 14 – центробежный суфлер; 15 – предохранительный клапан; 16 – масляный фильтр; 17 – сетка-пеногаситель; 18,19 – сливные краники; 20 – редукционный клапан; 21 – масляный насос; 22 – лабиритные уплотнения вентилятора; 23 – задняя опора двигателя; 24 – передняя опора двигателя; 25 – подвод воздуха к лабиринтным уплотнениям турбины и компрессора [7].
1.3.1.2. Работа масляной системы
Из маслобака 10, установленного на корпусе редуктора, масло самотеком поступает в нагнетающую секцию маслонасоса 21, которая подает его через фильтр 16 по трубкам на смазку компрессорной 23 и турбинной 24 опор и к маслораспределительной колонке 3.
Из маслораспределительной колонки масло по трубкам подается на смазку топливного насоса-регулятора 2, на смазку опор ведущего вала редуктора и к сигнализатору давления 6.
В случае засорения фильтра масло поступает в установку через предохранительный клапан 15, которым снабжен фильтр 16.
Давление масла в системе устанавливается равным 4.5 кг/см2 с помощью редукционного клапана 20. Для контроля давления масла в нагнетающей магистрали установлен сигнализатор давления СД-24А II серии. Масло подается по трубке в мембранную полость сигнализатора. Во время запуска установки при достижении давления масла в системе выше 3.5 кг/см2 сигнализатор давления замыкает электрическую цепь, включая тем самым сигнальную лампу «Давление масла в норме». Соответственно при понижении давления масла в системе ниже 3.5 кг/см2 сигнализатор давления выключает сигнальную лампу.
Кроме того, в системе предусмотрена возможность замера истинного давления масла в системе манометром, для чего служит штуцер 4. Максимально допустимая температура масла на входе + 160 °С.
В условиях стенда температура масла измеряется датчиком, устанавливаемым на маслораспределительной колонке в точке 5.
Заливка масла в маслобак 10 производится через заливную горловину 11. Замер количества масла в баке производится щупом 12, приваренным к крышке горловины. Емкость маслобака составляет 3 л.
На смазку опор газотурбинного двигателя масло подается по сверлениям в корпусе компрессора к двум масляным форсункам.
На каждый подшипник масло поступает из масляной форсунки через три жиклера диаметром 0.8 мм. Сливается масло во внутреннюю полость корпуса компрессора, а затем по сверлению в корпусе компрессора и по гибкому шлангу внутрь корпуса редуктора.
На смазку опор редуктора масло подводится по сверлениям в крышке редуктора и в стакане на подшипник вентилятора, два подшипника ведущей шестерни редуктора и подшипник ведущей шестерни генератора. Масло подается на каждый подшипник через три жиклера диаметром 0,8 мм и сливается в полость редуктора. Остальные подшипники редуктора и шестерни смазываются разбрызгиванием. Все отработанное масло сливается в нижнюю полость корпуса редуктора.
Из полостей топливного насоса-регулятора и подшипников ведущего вала редуктора масло сливается по сверлениям, из корпуса компрессора по гибкому шлангу. В нижней части корпуса редуктора расположена штампованная сетка-пеногаситель 17 для успокоения масла.
Из полости корпуса редуктора по наружным трубкам масло откачивается откачивающей ступенью маслонасоса 21 в масляный бак 10.
Для слива масла из установки предусмотрены два краника: 19 – на трубке откачки масла из корпуса редуктора, 18 – на трубке подвода масла из маслобака к маслонасосу.
Для обеспечения нормальной работы масляной системы полость редуктора, соединенная со всеми масляными полостями установки, сообщается с атмосферой через патрубок 13 центробежного суфлера 14. Этим достигается снижение давления в масляных полостях и нормальная работа лабиринтных уплотнений.
Для уменьшения количества выбрасываемого вместе с воздухом масла через патрубок 13 установлен центробежный суфлер 14. Масло воздушная смесь из полости редуктора поступает во вращающийся центробежный суфлер, где центробежные силы отбрасывают масло к периферии, отделяя его от воздуха.
Отделенное масло сливается по специальным сверлениям в тарелке суфлера в нижнюю полость редуктора, а воздух выходит в атмосферу через патрубок 13. Допускается выброс масла в суфлер не более 220 г за один запуск.
Для предотвращения попадания масла из масляных полостей в полости турбины, компрессора, вентилятора, генератора предусмотрен:
подвод воздуха (25) под давлением к лабиринтным уплотнениям опор турбины и компрессора;
подвод воздуха (5) к лабиринтному уплотнению 22 вентилятора обдува генератора и к кольцевому уплотнению ведущей шестерни генератора.
Кроме того, подвод воздуха предусмотрен также к кольцевому уплотнению патрубка центробежного суфлера 14 [7].
1.3.1.3. Маслобак
Маслобак (рис. 1.6) сварной состоит из обечайки 5 и двух боковых стенок, изготовленных штамповкой из листовой стали Х18Н10Т. Емкость бака 3 л.
Рис. 1.6. Маслобак
1 – штуцер; 2 – траверса; 3 – крышка; 4 – задняя горловина; 5 – обечайка;
6 – втулка; 7 – шайба; 8 – штуцер; 9 – ребро жесткости
Внутри бака имеется ребро 9 для повышения жесткости тонкостенной сварной конструкции.
В верхней части бака к обечайке приварен патрубок заливной горловины 4, который закрыт крышкой 3.
Эта крышка имеет щуп для замера уровня масла в баке и винт для обеспечения плотного прилегания крышки к фланцу патрубка с помощью поперечной траверсы 2.
При затяжке крышки траверса входит в кольцевой паз патрубка, обеспечивая герметичность.
В нижней части бака к обечайке приварен штуцер 8, через который масло подводится в нагнетающую секцию маслонасоса, а в верхней части к боковым стенкам приварены еще два симметрично расположенных штуцера 1. Один из них предназначен для отвода масла из откачивающей секции маслонасоса в маслобак, другой – для суфлирования полости маслобака (через полость редуктора).
Все штуцеры изготовлены из стали Х18Н9Т. Трубопроводы, подсоединяемые к штуцерам, уплотняются алюминиевыми кольцами.
Масляный бак на корпусе редуктора крепится четырьмя болтами, проходящими внутри полых сквозных втулок 6, приваренных при помощи шайб 7 к обечайке маслобака. Болты между собой попарно контрятся проволокой.
Между корпусом редуктора и втулками 6 маслобака ставятся алюминиевые кольца, которые исключают напряжения, могущие возникнуть от затяжки болтов в связи с неплоскостностью опорных поверхностей [7].
3.1.4. Маслонасос
Масляный насос (рис. 1.7) шестеренчатого типа, двухсекционный, служит для подачи масла под давлением к местам смазки и откачки масла из установки в маслобак.
Рис. 1.7. Маслонасос
1 – шпонка; 2 – шестерня окачивающей секции; 3, 4 – сальники; 5 – корпус; 6 – ведущий валик; 7 – ось шестерни; 8 – кольцо уплотнительное; 9 – проставка; 10 – средний корпус; 11 – крышка; 12 – редукторный клапан; 13 – фильтр; 14 – фильтрующий элемент; 15 – каркас; 16 – предохранительный клапан; 17 – регулировочный винт.
Из нагнетающей секции насоса масло через фильтр подается под давлением на смазку опор двигателя и редуктора и к агрегатам ТНР-40М и СД-24А II серии.
Масло, сливающееся из всех масляных полостей в нижнюю полость редуктора, откачивается в маслобак откачивающей секцией маслонасоса.
Полная производительность нагнетающей секции маслонасоса с заглушенным редукционным клапаном при давлении масла на выходе из насоса 6 кг/см2 не менее 19 л/мин. Разрежение, обеспечиваемое откачивающей секцией при производительности 1 л /мин, не менее 550 мм рт. ст.
Маслонасос устанавливается на крышке редуктора и состоит из корпуса, двух пар цилиндрических шестерен, редукционного клапана и маслофильтра.
Корпус маслонасоса состоит из собственно корпуса 5, проставки 9, среднего корпуса 10 и крышки 11, внутри которых размещены нагнетающая, откачивающая секции и масляный фильтр 13.
Каждая секция состоит из пары цилиндрических шестерен. На хвостовик ведущего валика 6, выполненного заодно с шестерней нагнетающей секции, насаживается шестерня 2 откачивающей секции и фиксируется от проворачивания цилиндрической шпонкой 1.
Ведущий валик 6 вращается в двух бронзовых втулках. Ведомые шестерни нагнетающей и откачивающей секций вращаются на неподвижной бронзовой оси 7, на которую они посажены с зазором. Ось 7 фиксируется от проворачивания штифтом. Все шестерни азотированы, имеют по 12 зубьев и изготовлены из стали 38ХМЮА.
Давление масла на выходе из нагнетающей секции насоса поддерживается редукционным клапаном 12, который состоит из корпуса клапана, пружины, размещенной внутри корпуса, и регулировочного винта 17. Корпус редукционного клапана изготовлен из стали 45 и ввертывается на резьбе в корпус маслонасоса.
Клапан регулируется на давление 4.5 – 5.5 кг/см2 на рабочих числах оборотов. Давление регулируется изменением затяжки пружины регулировочным винтом 17. Давление тем выше, чем больше затяжка пружины редукционного клапана.
В корпусе 5 насоса расположен быстросъемный фильтр 13, который состоит из фильтрующих элементов 14, одетых на каркас 15.
На случай засорения фильтра предусмотрен предохранительный клапан 16. При этом масло поступает в установку, минуя фильтр.
Полости нагнетающей и откачивающей секций уплотняются между собой сальником 3 и уплотнительным кольцом 8. Со стороны приводного хвостовика полость нагнетающей секции уплотняется сальником 4.
В средний корпус 10 ввернуты два штуцера. Штуцер 1 служит для подвода масла в откачивающую ступень, штуцер 2 – для отвода масла в маслобак. В корпусе 5 также имеются два штуцера. Штуцер 4 служит для подвода масла в нагнетающую ступень, штуцер 3 (после фильтра) – для подачи масла в установку.
Резьбовые соединения всех штуцеров и корпуса редукционного клапана уплотняются резиновыми кольцами [7].
1.3.2. Топливная система
Топливная система (рис. 1.8) служит для подачи топлива в газотурбинный двигатель в количестве, необходимом для его запуска и работы на режимах холостого хода и загрузки. Топливная система работает по принципу непосредственного впрыска топлива через форсунки в камеру сгорания двигателя.
В топливную систему установки входят следующие элементы: топливный насос-регулятор ТНР-40М 14, клапан запуска 6, основной топливный коллектор 5 с форсунками, пусковой топливный коллектор 4 с воспламенителями, четыре топливных электромагнитных крана 7, 8, 9 и 11, топливный фильтр 10, центробежный выключатель ВЦ-40 13 и топливные трубопроводы [6].
Рис. 1.8. Схема топливной системы
1 – рабочая форсунка; 2 – свеча СПН-4-3-Т; 3 – воспламенитель; 4 – пусковой топливный коллектор; 5 – основной топливный коллектор; 6 – клапан запуска; 7, 8, 9, 11 – топливные электромагнитные краны; 10 – топливный фильтр; 12 – кнопка «Запуск»; 13 – центробежный выключатель ВЦ-10; 14 – топливный насос-регулятор ТНР-40М; 15 – камера сгорания.
3.2.1. Работа топливной системы
Подача топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.
Топливо из топливного бака через топливный фильтр подводится к топливному электромагнитному крану 11, который открывается при нажатии на кнопку «Запуск» 12 и остается открытым до конца работы установки. Из электромагнитного крана через топливный фильтр 10 установки топливо поступает в топливный насос-регулятор ТНР-40М. Топливный насос-регулятор 14 нагнетает топливо и под давлением, дозируя его в нужном количестве, через электромагнитные краны 8 и 9 подает в пусковой и основной топливные коллекторы 4 и 5. Далее топливо из топливных коллекторов через воспламенители 3 и рабочие форсунки 1 впрыскивается в камеру сгорания 15.
Электромагнитный кран 8 открывается на 5 секунд и закрывается на 25 секунде после нажатия на кнопку «Запуск» или после выхода установки на обороты холостого хода.
Электромагнитный кран 9 открывается через 8 секунд после нажатия на кнопку «Запуск» и остается открытым до конца работы установки. После выхода установки на обороты холостого хода дальнейшая ее работа происходит только за счет сгорания топлива, поступающего через основной топливный коллектор.
Для предотвращения чрезмерного заброса температуры выходящих газов за турбиной при запуске установки часть топлива через клапан запуска 6 и электромагнитный кран 7 перепускается на вход топливного насоса-регулятора ТНР-40М. Электромагнитный кран 7 открывается на 9 с. и закрывается на 17 секунде после нажатия на кнопку «Запуск».
Воспламенение распыленного топлива в камере сгорания происходит от искры свечей СПН-4-3-Т 2, но не позднее 8 с. после нажатия на кнопку «Запуск».
Центробежный выключатель ВЦ-40 включен в топливную систему для аварийного отключения установки на оборотах 37000±1400 об/мин (по второй команде агрегата), а также для выдачи сигнала на снятие загрузки с генератора ГС-24А при снижении оборотов ротора установки ниже 29000 об/мин (по первой команде).
Отключение установки при раскрутке происходит в результате прекращения подачи топлива в камеру сгорания при закрытии электромагнитных кранов 9,11 по второй команде центробежного выключателя ВЦ-40 (в случае, если ТНР-40М не обеспечивает ограничения заброса оборотов). Таким образом, совместная работа центробежного выключателя ВЦ-40 с системой снятия загрузки и электромагнитными кранами 9 и 11 предупреждает разрушение установки от раскрутки и просадки оборотов [7].
3.3. Электрическая система
Электрооборудование двигателя спроектировано в расчете на номинальное напряжение 24 В. Электрическая система состоит из следующих частей:
Генератор постоянного тока ГС-24А.
Агрегат зажигания 1КНИ11Б-Т.
Авиационная электроэрозионная свеча поверхностного разряда СПН-4-3-Т.
Коллектор электрических проводов и провода системы зажигания;
Выключатель центробежный ВЦ-40.
Панель запуска ПТ-16М.
Регулятор напряжения РН-180 II серии.
Панель автомата запуска АПД-75А.
Пуско-регулирующая коробка ПРК-8М.
Ограничитель мощности ОМ-16-Т.
Автомат останова двигателя АОД-20.
3.4. Контрольно-измерительная аппаратура
Контрольно-измерительная аппаратура состоит из следующих частей:
Термоэлектрический термометр ТСТ 29Д.
Дистанционный электрический тахометр переменного тока ИТЭ-1.
Сигнализатор давления СД-24 II серии.
1.4. Методика проведения испытания
Испытательный стенд содержит систему измерения параметров рабочего тела по тракту двигателя, систему питания и регулирования двигателя. Параметры систем измерения установлены в боксе управления и наблюдения.
Частота вращения ротора двигателя измеряется электрическим тахометром переменного тока ИТЭ-1.
Температура замеряется с помощью термоэлектрического термометра ТСТ-29Д.
Регистрация указанных выше параметров производится по приборам в боксе управления с последующей записью в протокол испытания.
После подготовки двигателя к запуску (включение электропитания и проверки блок-схемы панели сигнализации) нажатием кнопки «Запуск» включается система запуска. Ротор двигателя раскручивается с помощью стартера-генератора, и далее автоматически набирает минимальное число оборотов в течение 35 с.. После прогрева двигателя (примерно в течение 2 мин.) перемещением ручки загрузки генератора устанавливается частота вращения ротора двигателя и на этом режиме регистрируются показания приборов. После этого нажимается кнопка «Стоп» и производится выключение двигателя.
4.1. Основные параметры, определяемые при испытании двигателя:
1. частота вращения ротора n (определяется по показанию тахометра);
2. статическое давление воздуха за компрессором Рк (определяется по манометру давления);
3. температура заторможенного потока Т5* (измеряется в сечениях 5-5 (см. рис. 1.9) с помощью термоэлектрической термопары).
3-3
4-4
5-5
6-6
  
2-2
  
1-1
Рис. 1.9. Характерные сечения проточной части ГТД ТГ-16М
4.2. Методика обработки результатов испытаний
1.4.2.1. Давление на входе в двигатель по параметрам барометра в боксе, МПа:
Pвх= P0,
где P0 – барометрическое давление в окружающей среде, МПа.
4.2.2. Температура торможения на входе в двигатель, К:
 ,
где  определяется по показаниям термометра в боксе, °С.
1.4.2.3. Расход воздуха определяется по уравнению расхода, кг/с
Здесь  – коэффициент расхода входного устройства,  ;
Fв – площадь поперечного сечения канала входного устройства, Fв = 0.025 м2;
m – коэффициент уравнения расхода, учитывающий физические свойства газа (для воздуха m = 0.0404 м-1·c·K0.5, для продуктов сгорания m = 0.0396 м-1·c·K0.5); Рвх – абсолютное статическое давление во входном устройстве, МПа; q(λв) – газодинамическая функция расхода, определяемая с помощью газодинамической функции π(λв) = Рвх / Рвх*, где Рвх – давление по статическим параметрам на входе, Рвх* – давление по заторможенным параметрам на входе по таблицам газодинамических функций (ГДФ).
1.4.2.4. Мощность двигателя Neвв определяется по показанием амперметра и вольтметра стартер-генератора и записывается в протокол, кВт:
где  = 0.98 – кпд генератора.
1.4.2.5. Удельный расход топлива, кг/(кВт·ч):
1.4.2.6. Коэффициент избытка воздуха:
Здесь qт – относительный расход топлива  , где Gт – расход топлива в кг/с, Gв – расход воздуха в кг/с, L0 – теоретически необходимое количество воздуха для химически полного сгорания 1 кг топлива (L0 = 14.71 кг воздуха/кг топлива).
1.4.2.7. Температура газа перед турбиной (на выходе из камеры сгорания) определяется по номограмме (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Номограмма для определения температуры газа перед турбиной
1.4.2.8. Скорость газа в характерных сечениях i по тракту двигателя определяется по измеренным в каждом сечении значениям полного и статического давлений и температуры торможения.
С помощью газодинамической функции  для известного показателя адиабаты k определяется приведенная скорость  . Скорость потока находится из соотношения
 .
Здесь  – критическая скорость. Для сечений (рис. 1.9) 1 – 1 и 2 – 2:  , для сечений 3 – 3, 4 – 4 и 5 – 5:  .
Кроме того, примем для сечений 1 – 1, 2 – 2 и 3 – 3: λк = 0,11, λг = 0,22 и λт = 0,55 соответственно. Значение λв из п. п. 1.4.2.4.
Полное давление за камерой сгорания Р*г = 0.98 · Р*к
Для определения скорости газа на выходе из выхлопного принимаем Р*вых = 0.98 · Р*т , Рвых = Р0.
1.4.2.9. Степень понижения давления в турбине определяется как
где адиабатный КПД турбины (η*т.ад = 0.6); Тт* – измеренная температура на выходе из турбины; Тг* – температура на входе в турбину (на выходе из камеры сгорания).
1.4.2.10. Полное давление за турбиной
Рт* = Рг* / πт*
4.2.11. Статическая температура в каждом сечении определяется из соотношения
Здесь газодинамическая функция  определяется по величине λi, (п. п. 1.4.2.8) с помощью таблиц ГДФ.
4.2.12. Статическое давление в каждом сечении определяется из соотношения
Здесь газодинамическая функция π (λi) определяется по величине λi (п. п. 1. 4.2.8), с помощью таблиц ГДФ.
1.4.2.13. Коэффициенты полезного действия:
Термический КПД цикла:
здесь π0* = πк* = Рк* / Рв*, а Рк* = Рк / π (λк), где Рк – статическое давление за компрессором.
Эффективный КПД ГТД:
здесь Нu= 43 кДж/кг; GТ в кг/с;
Коэффициент восстановления полного давления во входном устройстве:
σ*вх = Р*в /Р*0,
Адиабатический КПД компрессора:
 ;
Коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания:
σ*к.с. = Р*г / Р*к ;
Адиабатический КПД турбины:
Полученные экспериментальные результаты представляют собой параметры двигателя при данных атмосферных условиях.
1.4.2.14. Все расчеты по п. п. 1.4.2.1÷1.4.2.13 производятся с помощью калькулятора, номограммы (рис. 1.10) и таблиц ГДФ, а для идентификации произведенных расчетов используется математическая модель ГТД ТГ-16М, которая составляется лицензионной программой ПК АС ГРЭТ (газодинамические расчеты энергетических турбомашин).
5. Оформление работы
1. Построить графики изменений давления (в МПа), температуры град (в К), расход рабочего тела (в кг/с) в характерных сечениях по тракту двигателя.
2. По графикам сделать выводы, содержащие краткие объяснения о преобразовании энергии, приводящей к изменению параметров рабочего тела в отдельных элементах двигателя.
3. Объяснить виды потерь и оценить совершенство ГТД рассчитанными коэффициентами полезного действия.
Контрольные вопросы:
1. Из каких основных узлов состоит ГТД ТГ-16М.
2. Из каких основных элементов состоит маслосистема ТГ-16М.
3. Из каких основных элементов состоит топливная система ТГ-16М.
4. Из каких основных элементов состоит электрическая система ТГ-16М.
5. По какой формуле определяется эффективный КПД ГТД ТГ-16М.
6. По какой формуле определяется термический КПД цикла ТГ-16М.
|
