Результат интеллектуальной деятельности: Установка для испытания деталей турбомашины

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям осевых турбомашин для газотурбинных установок.

Согласно результатам практических исследований одним из эффективных средств, направленных на расширение диапазона рабочих режимов осевых турбомашин и увеличение запаса устойчивости их работы, является выполнение надроторного устройства с кольцевой полостью, сообщенной с проточной частью турбомашины щелевидными сквозными прорезями. В частности, известен турбокомпрессор с надроторным устройством, содержащий корпус с проточным трактом, рабочее колесо с лопатками, установленное в проточном тракте с образованием межлопаточных проточных каналов, и кольцевую обечайку надроторного устройства, охватывающую трактовую стенку корпуса с образованием кольцевой полости, сообщенной с межлопаточными проточными каналами и проточным трактом соответственно входными и выходными отверстиями, выполненными в виде двух рядов щелевидных прорезей в трактовой стенке корпуса турбокомпрессора (RU 158171, 2015).

Проектирование геометрических параметров и месторасположение щелевидных прорезей таких надроторных устройств осуществляется, как правило, расчетным способом с применением методов математического моделирования по результатам анализа аэродинамических испытаний конкретной модели вентилятора или компрессора. При этом в процессе проектирования используется более десяти взаимосвязанных между собой геометрических параметров надроторного устройства, в частности L - осевая протяженность щелевого участка, Н - высота кольцевой надроторной полости, h - высота щелевой решетки, ϕ_r - угол между радиусом и направлением щелевидных прорезей в поперечном сечении, ϕ_а - угол между осью компрессора и осью щелевидных прорезей; t_s - шаг щелевой решетки, δ_S - ширина щелевидных прорезей в окружном направлении, δ_S - ширина щелевидных прорезей, h' - эффективная высота щелевидных прорезей, количество щелевидных прорезей (фиг. 1).

С учетом того, что при проектировании необходимо учитывать также влияние геометрических параметров рабочих лопаток турбокомпрессора, результаты математического моделирования имеют, как правило, весьма приблизительный характер. Поэтому геометрические параметры щелевидных прорезей, полученные в ходе расчетов и математического моделирования, корректируются и уточняются в ходе сравнительных испытаний конкретных моделей турбокомпрессора с различными конфигурациями щелевидных прорезей надроторного устройства.

Известна установка для испытания деталей турбомашины, содержащая осевой компрессор со съемными деталями, в корпусе которого установлен выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в проточном канале компрессора, приводной вал с лопаточным рабочим колесом, расположенным перед выходным статором, и кольцевое надроторное устройство, расположенное концентрично проточному каналу (RU 2318195, 2008).

В известной установке в качестве съемных деталей используются сегментные вставки, установленные между лопатками направляющих аппаратов, и рабочие лопатки разной длины, что позволяет расширить диапазон испытываемых турбомашин. Однако известная установка не позволяет проводить доводочные испытания надроторных устройств с различными конфигурациями щелевидных прорезей.

Наиболее близким аналогом изобретения является установка для испытания деталей турбомашины, содержащая модельный осевой компрессор со съемными деталями, в корпусе которого установлен выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в проточном канале компрессора, приводной вал с лопаточным рабочим колесом, расположенным перед выходным статором, кольцевое надроторное устройство, расположенное концентрично проточному каналу, приемники статического давления, размещенные в проточном канале и комбинированные гребенки, расположенные на входе и выходе проточного канала и имеющие дефлекторы, в которых установлены приемники полного давления и датчики температуры (RU 2255319, 2005).

В известной установке с гладким надроторным устройством модельного осевого компрессора в качестве съемных деталей используются лопатки входного и выходного статоров, изменение их положения относительно лопаточного рабочего колеса в осевом направлении осуществляется за счет кольцевых проставок, с помощью которых направляющие лопатки установлены на входном и выходном статорах, а изменение их взаимного расположения - за счет того, что статоры установлены с возможностью поворота в окружном направлении. Такое выполнение установки обеспечивает возможность определения изменения картины нестационарного течения при вариации параметров лопаток входного и выходного статоров в проточном канале турбомашины для проведения тестирования результатов проектирования расчетным способом с применением методов математических моделей.

Однако проведение тестовых испытаний на известной установке модельного осевого компрессора, имеющего кольцевое надроторное устройство с надроторной полостью, сообщенной с проточным каналом через щелевидные сквозные прорези, требует изготовления большого количества моделей надроторных устройств с различными конфигурациями щелевидных сквозных прорезей, поэтому подобные испытания являются трудоемкими, затратными и требующими большого количества переустановок и наладок.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается изобретением, заключается в повышении эффективности проведения работ по доводке и оптимизации параметров надроторного устройства турбомашины.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости и временных затрат на проведение испытаний по доводке и оптимизации параметров надроторного устройства с щелевидными сквозными прорезями осевых турбомашин.

Технический результат достигается за счет того, что установка для испытания деталей турбомашины содержит модельный осевой компрессор со съемными деталями, в корпусе которого установлен выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в проточном канале компрессора, приводной вал с лопаточным рабочим колесом, расположенным перед выходным статором, кольцевое надроторное устройство, расположенное концентрично проточному каналу, приемники статического давления, размещенные в проточном канале и комбинированные гребенки, расположенные на входе и выходе проточного канала и имеющие дефлекторы, в которых установлены приемники полного давления и датчики температуры. Надроторное устройство выполнено в виде, по меньшей мере, двух соосных между собой съемных кольцевых проставок с щелевидными сквозными прорезями, установленных в корпусе осевого компрессора с образованием в нем надроторной полости, сообщенной с проточным каналом через щелевидные сквозные прорези кольцевых проставок, причем каждая кольцевая проставка установлена с возможностью поворота относительно оси приводного вала и снабжена автономным приводом и фиксатором ее углового положения, а установка снабжена датчиком направления потока и дополнительными приемниками статического давления и датчиками температуры, установленными в надроторной полости.

Датчик направления потока может быть выполнен в виде набора из трех трубчатых приемников полного давления, закрепленного в держателе, установленном в радиальном направлении относительно оси приводного вала компрессора с возможностью вращательного и возвратно-поступательного перемещения, причем набор трубчатых приемников полного давления состоит из одного центрального трубчатого приемника полного давления и двух боковых трубчатых приемников полного давления, расположенных с противоположных сторон боковой поверхности центрального трубчатого приемника полного давления, а входные отверстия боковых трубчатых приемников полного давления расположены в плоскости, пересекающей боковую поверхность центрального трубчатого приемника полного давления под острым углом.

Существенность отличительных признаков установки для испытания деталей турбомашины подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - снижение трудоемкости и временных затрат на проведение испытаний по доводке и оптимизации параметров надроторного устройства с щелевидными сквозными прорезями осевых турбомашин.

Пример выполнения установки для испытания деталей турбомашины показан на чертежах, где:

на фиг. 1 показан продольный разрез осевой турбомашины с надроторным устройством с щелевидными сквозными прорезями (уровень техники);

на фиг. 2 изображен общий вид установки для испытания деталей турбомашины с модельным осевым компрессором и надроторным устройством с щелевидными сквозными прорезями;

на фиг. 3 показаны развертки съемных кольцевых проставок надроторного устройства с щелевидными сквозными прорезями;

на фиг. 4 - надроторное устройство с приемниками статического давления и датчиками температуры;

на фиг. 5 - датчик направления потока, установленный в надроторной полости.

Установка для испытания деталей турбомашины содержит модельный осевой компрессор 1, в корпусе 2 которого установлен выходной статор 3 с направляющими лопатками 4, расположенными в проточном канале 5 компрессора 1, приводной вал 6 с лопаточным рабочим колесом 7, расположенным перед выходным статором 3, и кольцевое надроторное устройство 8, расположенное концентрично проточному каналу 5 (фиг. 2).

Надроторное устройство 8 выполнено в виде, по меньшей мере, двух соосных между собой съемных кольцевых проставок 9 с щелевидными сквозными прорезями 10, установленных в корпусе 2 осевого компрессора 1 с образованием в нем надроторной полости 11, сообщенной с проточным каналом 5 через щелевидные сквозные прорези 10 кольцевых проставок 9 (фиг. 3а). Каждая кольцевая проставка 9 установлена с возможностью ограниченного поворота относительно оси приводного вала 6 и снабжена автономным приводом 12 и фиксатором 13 ее углового положения.

Количество кольцевых проставок 9 зависит от конкретной конструкции модельного осевого компрессора 1 и, как правило, определяется количеством рядов щелевидных сквозных прорезей 10 в надроторном устройстве 8. На фиг. 36 и 3в показаны варианты выполнения надроторного устройства 8 с тремя съемными кольцевыми проставками 9.

В проточном канале 5 размещены приемники 14 статического давления, и комбинированные гребенки 15, расположенные на входе 16 и выходе 17 проточного канала 5 и имеющие дефлекторы 18, в которых установлены приемники 19 полного давления и датчики 20 температуры. Установка снабжена дополнительными приемниками 21 статического давления и датчиками 22 температуры, установленными в надроторной полости 11 равномерно вдоль щелевидных сквозных прорезей 10 (фиг. 4).

В надроторной полости 11 установлен датчик направления потока, выполненный в виде набора 23 из трех трубчатых приемников полного давления, закрепленного в держателе 24, установленном в радиальном направлении относительно оси приводного вала 6 осевого компрессора 1 с возможностью вращательного и возвратно-поступательного перемещения (фиг. 5).

Набор 23 трубчатых приемников полного давления состоит из одного центрального трубчатого приемника 25 полного давления и двух боковых трубчатых приемников 26 и 27 полного давления, расположенных с противоположных сторон боковой поверхности центрального трубчатого приемника 25 полного давления, а входные отверстия боковых трубчатых приемников 26 и 27 полного давления расположены в плоскости, пересекающей боковую поверхность центрального трубчатого приемника 25 полного давления под острым углом.

Для изменения высоты надроторной полости 11 в корпусе 2 модельного осевого компрессора 1 могут быть установлены съемные вставки 28 различной толщины.

После теоретического расчета формы и размеров съемных кольцевых проставок 9, наиболее близких по требуемым рабочим параметрам, в модельный осевой компрессор 1 устанавливают надроторное устройство 8 с кольцевыми проставками 9 с необходимыми конфигурациями щелевидных сквозных прорезей 10 и надроторной полости 11. На требуемых частотах вращения рабочего колеса 7 согласно программе испытаний, осуществляют снятие параметров воздушного потока (полного давления и температуры) с помощью комбинированных гребенок 15, расположенных на входе 16 и выходе 17 проточного канала 5, и статического давления с помощью приемников 14 статического давления в аналогичных сечениях.

Также замеряют параметры потока в надроторной полости 11 -статического давления с помощью дополнительных приемников 21 полного давления и температуры - дополнительными датчиками 22 температуры, расположенными вдоль щелевидных сквозных прорезей 10. Для определения направления потока и его полного давления по всей высоте надроторной полости 11 набор трубчатых приемников 23 вращают до момента совпадения величины давления в боковых трубчатых приемниках 26 и 27. Затем перемещают держатель 24 вдоль надроторной полости 11 и повторяют определение направления потока и его полного давления по всей высоте надроторной полости 11.

После проведения всех замеров производится поворот, по меньшей мере, одной съемной кольцевой проставки 9 относительно оси приводного вала 6, на угол, равный половине шага сквозных прорезей 10, причем, в случае установки 3-х кольцевых проставок 9, автономным приводом 12 и фиксатором 13 углового положения могут быть оснащены входная и установленная за ней проставка 9. После этого производится снятие параметров, указанных выше. Также имеется возможность вариации конфигурации геометрии съемных кольцевых проставок 9 и их количества, определяющее, в том числе, количество рядов щелевидных сквозных прорезей 10, за счет частичной переборки надроторного устройства 8 и постановки необходимых вариантов съемных кольцевых проставок 9, влияние которых оценивается в последующем цикле испытаний.

Количество комбинаций взаимного расположения сквозных прорезей 10 в проставках 9 зависит от программы испытаний, а тонкая подборка оптимальных параметров потока благодаря наличию различных вариантов съемных кольцевых проставок 9 надроторного устройства 8 позволяет определять наиболее оптимальное взаимное положение сквозных прорезей 10, количество их рядов и уточнить их геометрические параметры, а также выявить наилучший вариант исполнения надроторной полости 11, вариация геометрии которой возможна за счет установки съемных вставок 28 различной толщины.

Установка позволяет обеспечить снижение трудоемкости, временных и материальных затрат на проведение работ при испытаниях по доводке и оптимизации параметров надроторного устройства с щелевидными сквозными прорезями осевых турбомашин.