Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II
Работа посвящена рассмотрению особенностей конструкции стендов и методики анализа эффективности рабочего процесса различных систем турбокомпрессорных агрегатов типа ГПА-Ц конструкции ПАО «Сумское НПО». Представлена конструкция стенда замкнутого контура для натурных испытаний центробежных компрессоро...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2017
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115658 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II / В.П. Парафейник, Н.С. Щербаков, А.А. Рябов, В.В. Шевчук, В.Н. Разношинский, И.Н. Тертышный, С.А. Прилипко // Проблемы машиностроения. — 2017. — Т. 20, № 1. — С. 3-11. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-115658 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Парафейник, В.П. Щербаков, Н.С. Рябов, А.А. Шевчук, В.В. Разношинский, В.Н. Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. 2017-04-08T18:18:03Z 2017-04-08T18:18:03Z 2017 Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II / В.П. Парафейник, Н.С. Щербаков, А.А. Рябов, В.В. Шевчук, В.Н. Разношинский, И.Н. Тертышный, С.А. Прилипко // Проблемы машиностроения. — 2017. — Т. 20, № 1. — С. 3-11. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115658 621.515 Работа посвящена рассмотрению особенностей конструкции стендов и методики анализа эффективности рабочего процесса различных систем турбокомпрессорных агрегатов типа ГПА-Ц конструкции ПАО «Сумское НПО». Представлена конструкция стенда замкнутого контура для натурных испытаний центробежных компрессороввысокого давления (1,2…12,0 МПа), ГТД мощностью 4,0…25,0 МВт и агрегатов в целом в условиях максимально приближенных к условиям эксплуатации на компрессорных станциях газовой и нефтяной промышленности. Рассмотрена конструктивная схема и состав оборудования газового стенда ПАО «Мотор-Сич» для испытаний двигателей типа Д-336, а также АИ-336 на газообразном топливе. Стенд позволяет проводить экспериментальные работы не только со снятием характеристик двигателя, но исследовать влияние геометрии воздухоприемного тракта двигателя на неравномерность поля давлений на входе в ГТД при его работе в составе стенда. Описаны программа, методические особенности натурных испытаний газотурбинного двигателя Д-336-1 мощностью 6,3МВт, центробежного компрессора НЦВ-6,3/56-1,45 и других систем агрегата. Представлены аналитические зависимости для обработки результатов испытаний двигателя и газового центробежного компрессора, выполненных в условиях близких к эксплуатационным, что обеспечивает возможность получения на основе экспериментальных данных системной характеристики агрегата, а также верификацию этой характеристики, полученной расчетным путем на стадии предпроектных исследований. Розглянуто особливості створення агрегатів типу ГПА-Ц та їх доводка на основі результатів натурних випробувань агрегату ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 в складі стенда замкнутого контуру. Показано, що це дозволяє отримати характеристики ефективності роботи основних і допоміжних систем, а також системну характеристику агрегату. This work deals with test benches features and analysis procedure of operating process efficiency for different systems of turbo-compressor packages of GPA-C type manufactured by Sumy NPO PJSC. The design of back-to-back test rig for full-scale test of centrifugal compressor with high pressure (1,2…12,0 MPa), GTE with power 4,0…25,0 MW and packages as a whole under conditions close to operating conditions at CS of gas and oil industry is presented. The construction diagram and equipment configuration of gas bench of Motor Sich JSC to test turbines D-336 as well as AI-336 on gaseous fuel are considered. The bench permits to perform experimental works not only to run a curve but to research air intake duct geometry effect on pressure field non-uniformity at GTE inlet when being a part of bench. The programs, methodical specifics of full-scale test of gas turbineD-336-1 with power 6,3 MW, centrifugal compressor NCV-6,3/56-1,45 and other systems are described. The analytical dependences to process test results of turbine and gas centrifugal compressor performed under conditions close to operating ones are presented providing the possibility to obtain the package system characteristics based on experimental data as well as verification of this characteristics obtained by calculation at pre-development researches stage. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Энергетическое машиностроение Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II Selection of System Characteristic of Turbo-Compressor Package Based on Efficiency Analysis according to Full-Scale Test Results. P. II. Methodological Approach to Design Modular Turbo-Compressor Packages for CS of Gas Industry Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II |
| spellingShingle |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II Парафейник, В.П. Щербаков, Н.С. Рябов, А.А. Шевчук, В.В. Разношинский, В.Н. Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. Энергетическое машиностроение |
| title_short |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II |
| title_full |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II |
| title_fullStr |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II |
| title_full_unstemmed |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II |
| title_sort |
выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. ч. ii |
| author |
Парафейник, В.П. Щербаков, Н.С. Рябов, А.А. Шевчук, В.В. Разношинский, В.Н. Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. |
| author_facet |
Парафейник, В.П. Щербаков, Н.С. Рябов, А.А. Шевчук, В.В. Разношинский, В.Н. Тертышный, И.Н. Прилипко, С.А. |
| topic |
Энергетическое машиностроение |
| topic_facet |
Энергетическое машиностроение |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы машиностроения |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Selection of System Characteristic of Turbo-Compressor Package Based on Efficiency Analysis according to Full-Scale Test Results. P. II. Methodological Approach to Design Modular Turbo-Compressor Packages for CS of Gas Industry |
| description |
Работа посвящена рассмотрению особенностей конструкции стендов и методики анализа эффективности рабочего процесса различных систем турбокомпрессорных агрегатов типа ГПА-Ц конструкции ПАО «Сумское НПО». Представлена конструкция стенда замкнутого контура для натурных испытаний центробежных компрессороввысокого давления (1,2…12,0 МПа), ГТД мощностью 4,0…25,0 МВт и агрегатов в целом в условиях максимально приближенных к условиям эксплуатации на компрессорных станциях газовой и нефтяной промышленности. Рассмотрена конструктивная схема и состав оборудования газового стенда ПАО «Мотор-Сич» для испытаний двигателей типа Д-336, а также АИ-336 на газообразном топливе. Стенд позволяет проводить экспериментальные работы не только со снятием характеристик двигателя, но исследовать влияние геометрии воздухоприемного тракта двигателя на неравномерность поля давлений на входе в ГТД при его работе в составе стенда. Описаны программа, методические особенности натурных испытаний газотурбинного двигателя Д-336-1 мощностью 6,3МВт, центробежного компрессора НЦВ-6,3/56-1,45 и других систем агрегата. Представлены аналитические зависимости для обработки результатов испытаний двигателя и газового центробежного компрессора, выполненных в условиях близких к эксплуатационным, что обеспечивает возможность получения на основе экспериментальных данных системной характеристики агрегата, а также верификацию этой характеристики, полученной расчетным путем на стадии предпроектных исследований.
Розглянуто особливості створення агрегатів типу ГПА-Ц та їх доводка на основі результатів натурних випробувань агрегату ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 в складі стенда замкнутого контуру. Показано, що це дозволяє отримати характеристики ефективності роботи основних і допоміжних систем, а також системну характеристику агрегату.
This work deals with test benches features and analysis procedure of operating process efficiency for different systems of turbo-compressor packages of GPA-C type manufactured by Sumy NPO PJSC. The design of back-to-back test rig for full-scale test of centrifugal compressor with high pressure (1,2…12,0 MPa), GTE with power 4,0…25,0 MW and packages as a whole under conditions close to operating conditions at CS of gas and oil industry is presented. The construction diagram and equipment configuration of gas bench of Motor Sich JSC to test turbines D-336 as well as AI-336 on gaseous fuel are considered. The bench permits to perform experimental works not only to run a curve but to research air intake duct geometry effect on pressure field non-uniformity at GTE inlet when being a part of bench. The programs, methodical specifics of full-scale test of gas turbineD-336-1 with power 6,3 MW, centrifugal compressor NCV-6,3/56-1,45 and other systems are described. The analytical dependences to process test results of turbine and gas centrifugal compressor performed under conditions close to operating ones are presented providing the possibility to obtain the package system characteristics based on experimental data as well as verification of this characteristics obtained by calculation at pre-development researches stage.
|
| issn |
0131-2928 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115658 |
| citation_txt |
Выбор системной характеристики турбокомпрессорного агрегата на основе анализа его эффективности по результатам натурных испытаний. Ч. II / В.П. Парафейник, Н.С. Щербаков, А.А. Рябов, В.В. Шевчук, В.Н. Разношинский, И.Н. Тертышный, С.А. Прилипко // Проблемы машиностроения. — 2017. — Т. 20, № 1. — С. 3-11. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT parafeinikvp vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT ŝerbakovns vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT râbovaa vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT ševčukvv vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT raznošinskiivn vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT tertyšnyiin vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT prilipkosa vyborsistemnoiharakteristikiturbokompressornogoagregatanaosnoveanalizaegoéffektivnostiporezulʹtatamnaturnyhispytaniičii AT parafeinikvp selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry AT ŝerbakovns selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry AT râbovaa selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry AT ševčukvv selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry AT raznošinskiivn selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry AT tertyšnyiin selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry AT prilipkosa selectionofsystemcharacteristicofturbocompressorpackagebasedonefficiencyanalysisaccordingtofullscaletestresultspiimethodologicalapproachtodesignmodularturbocompressorpackagesforcsofgasindustry |
| first_indexed |
2025-11-24T16:03:44Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:03:44Z |
| _version_ |
1850850578658230272 |
| fulltext |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 3
1
В. П. Парафейник, д-р техн. наук
1
Н. С. Щербаков
2
А. А. Рябов
2
В. В. Шевчук
3
В. Н. Разношинский
1
И. Н. Тертышный
1
С. А. Прилипко
1
ПАО «Сумское НПО», г. Сумы
2
ГП ЗМКБ «Ивченко-Прогресс»,
г. Запорожье
3
ПАО «Мотор-Сич», г. Запорожье
УДК 621.515
ВЫБОР СИСТЕМНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТУРБОКОМПРЕССОРНОГО АГРЕГАТА
НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЕГО
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ.
Ч. II. Методологические подходы к созданию
блочно-комплектных турбокомпрессорных аг-
регатов для компрессорных станций газовой
промышленности
Розглянуто особливості створення агрегатів типу ГПА-Ц та їх
доводка на основі результатів натурних випробувань агрегату
ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 в складі стенда замкнутого контуру. Пока-
зано, що це дозволяє отримати характеристики ефективності
роботи основних і допоміжних систем, а також системну хара-
ктеристику агрегату.
Ключові слова: стенд замкнутого кон-
туру, турбокомпресорний агрегат, відце-
нтровий компресор, газотурбінний двигун,
політропний ККД компресора, ефектив-
ний ККД двигуна.
Введение
Блочно-комплектные турбокомпрессорные агрегаты (ТКА) природного и нефтяного газа на
основе конвертированных газотурбинных двигателей (ГТД) и центробежных компрессоров (ЦК)
мощностью 4,0–32,0 МВт являются энергосиловыми системами, рабочий процесс которых сопро-
вождается сложными термодинамическими явлениями. Несмотря на то, что в отечественной практи-
ке их создание на основе ГТД промышленного типа и ЦК относится еще к 50-м годам прошлого века,
системный анализ рабочего процесса ТКА с использованием первого и второго законов термодина-
мики стал возможным только в 90-х годах ХХ столетия. Был обобщен опыт создания, производства и
эксплуатации блочно-комплектных агрегатов типа ГПА-Ц в Сумском машиностроительном научно-
производственном объединении (СМНПО) и решены задачи повышения их эффективности на основе
системных исследований особенностей рабочего процесса блочно-комплектных турбокомпрессорных
установок (ТКУ), создаваемых на основе ТКА для работы в составе компрессорных станций (КС) га-
зовой и нефтяной промышленности.
Создание ТКА для предприятий газовой и нефтяной промышленности и, прежде всего, ком-
прессорных станций (КС) газотранспортной системы с учетом их эксплуатации в различных клима-
тических условиях невозможно без проведения комплекса испытаний как агрегатов, узлов и систем
вновь создаваемого изделия – ТКА, так и последующей его доводки согласно предъявляемым к нему
требованиям [1–5]. Особенно важно обеспечить надежность эксплуатации конвертированных авиа-
ционных и судовых газотурбинных двигателей (ГТД) различной мощности в составе ТКА при их ра-
боте на природном, нефтяном или синтетическом газе.
Блочно-комплектные ТКА в Украине создаются следующими предприятиями: ПАО «Сумское
машиностроительное НПО» (СМНПО), ГП НПКГ «Зоря» – «Машпроект» (г. Николаев), ГП ЗМКБ
«Ивченко-Прогресс» и ПАО «Мотор-Сич» (г. Запорожье). Первое из них создает и производит цен-
тробежные компрессоры (ЦК) высокого давления, а также осуществляет «пекидж» и поставку агрега-
тов, остальные предприятия производят судовые, авиационные и конвертированные ГТД для назем-
ного применения в различных отраслях промышленности.
Для создания современных ТКА, обеспечивающих надежную эксплуатацию газотранспорт-
ной системы, была создана соответствующая производственная и экспериментальная база на пред-
приятиях-изготовителях. В частности, в СМНПО действует блок испытательных стендов, обеспечи-
вающий натурные испытания ЦК высокого давления (1,2–12,0 МПа), ГТД мощностью 4,0–25,0 МВт
В. П. Парафейник, Н. С. Щербаков, А. А. Рябов, В. В. Шевчук, В. Н. Разношинский,
И. Н. Тертышный, С. А. Прилипко, 2017
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 4
и ТКА в целом с учетом их комплектующих систем в условиях, максимально приближенных к усло-
виям эксплуатации. При этом программа создания ТКА может состоять из таких этапов:
– создание опытных образцов ГТД и ЦК, которые проходят предварительные испытания на стендах
предприятий-изготовителей;
– изготовление стендового образца агрегата, в составе которого проводятся доводочные и контроль-
ные испытания ГТД и ЦК, а также вспомогательных систем для получения основных характеристик;
– создание опытного образца серийного агрегата, который проходит заводские и приемочные испы-
тания на стенде СМНПО.
Такой подход был апробирован в процессе создания агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 с компрес-
сором НЦВ-6,3/56-1,45 типа «баррель» конструкции СМНПО и ГТД Д-336-1 конструкции
ГП «Ивченко-Прогресс».
1. Стенды для испытания ГТД в организации-разработчика и на заводе-изготовителе.
Методические особенности испытаний двигателя
При создании и доводке двигателя Д-336-1 для агрегата типа ГПА-Ц-6,3А использовали гид-
ротормозной стенд (ГТС) организации-разработчика [6], газовый стенд ПАО «Мотор-Сич», а также
стенд замкнутого контура (ЗК) СМНПО [1, 3].
Работы по созданию двигателя проводились в следующей последовательности:
– испытания авиационного прототипа Д-136 двигателя Д-336-1 на ГТС;
– поверочные (предварительные) испытания двигателя Д-336-1 в составе стендового агрегата ГПА-
Ц-6,3В/56-1,45 на испытательном стенде СМНПО;
– заводские и межведомственные испытания в составе опытного образца серийного агрегата ГПА-
Ц-6,3А/56-1,45 на стенде ЗК.
На ГТС разработчика испытаниям подвергался двигатель, выработавший летный ресурс, со-
зданный на основе авиационного ГТД Д-136, после его разборки, дефектации деталей узлов, а также
при необходимости их замены на вновь изготовленные. Испытания двигателя проводились на керо-
сине и предусматривали реализацию программ по отработке запусков; снятию дроссельных характе-
ристик с получением зависимостей ( )∑= КfnnNG π,,, ВДНДСТТ.Г. ( Т.Г.G – массовый расход топлива,
кг/с; СТN – мощность силовой турбины (СТ), кВт; НДn , ВДn – частота вращения компрессоров низ-
кого и высокого давлений соответственно; ∑Кπ – суммарная степень сжатия воздуха в ГТД); получе-
нию предварительных данных о настроечных параметрах системы автоматизированного управления
и регулирования (САУ и Р) двигателя.
С учетом испытаний ГТД на стенде ГТС двигатель был подготовлен к испытаниям на газе.
Узел камеры сгорания (КС), учитывая перевод на газ и жесткие нормы по содержанию вредных ве-
ществ в выхлопных газах (в.г.), практически заменен новым: изменена конструкция жаровой трубы,
форсунок, коллектора и пр. До постановки на двигатель узел КС прошел лабораторные испытания на
п.г. с целью определения поля температур на выходе, содержания вредных выбросов с в.г., диапазона
устойчивой работы.
Учитывая то, что двигатель типа Д-336 по своим характеристикам близок к двигателям-
прототипам Д-36 (двигатель самолета ЯК-42) и Д-136 (двигатель вертолета Ми-26), такие испытания
как тензометрирование лопаток компрессора, термометрирование горячих узлов, определение непро-
биваемости корпусов при обрыве лопаток и другие (обязательные при испытаниях ГТД), на нем не
проводились.
Для испытания серийных ГТД в ПАО «Мотор-Сич» был создан специальный стенд для испы-
тания серийных двигателей на газообразном топливе. Конструктивная схема и состав оборудования
стенда, представленные на рис. 1, отражают особенности работы воздухоприемного тракта (ВПТ)
двигателя в составе ТКА и позволяют определять не только его основные характеристики, но и изу-
чить неравномерность поля давлений и скоростей перед воздухозаборным устройством ГТД. В связи
с этим на испытательном стенде ПАО «Мотор-Сич» был поставлен специальный эксперимент по ис-
следованию поля давлений на входе в ГТД с использованием вертикально и горизонтально располо-
женных гребенок с приемниками полного давления, расположенными непосредственно на входе в
двигатель (рис. 2). Замер давлений в процессе испытаний производился за 2 прохода.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 5
С точки зрения определения ха-
рактеристик эффективности ГТД, исполь-
зуемых при верификации расчетной моде-
ли системной характеристики ТКА, важ-
нейшими параметрами являются: крутя-
щий момент на валу СТ, определяемый с
использованием измерителя крутящего
момента (ИКМ), смонтированном в ре-
дукторе стенда (рис. 2), а также замер
объемного расхода топливного газа (т.г.)
на входе в дозатор топлива.
Точностные характеристики изме-
рительных средств, используемые в соста-
ве стенда, соответствуют ГОСТ Р 52782-
2007 и удовлетворяют предъявляемым
требованиям. Для нахождения параметров
ГТД при определении его эффективности
были привлечены как штатные измери-
тельные средства, используемые в серий-
ных авиационных двигателях, так и стен-
довые средства измерений [6, 7]: для из-
мерения частоты вращения роторов –
прибор ДТА-10 с погрешностью измере-
ния ≤0,2%; температур – прибор Т80-Т в
рабочем диапазоне от 473 до 1100 К,
обеспечивающий точность измерений не ниже ±0,9%; давления воздуха и масла – прибор «Элемер-
100Вн-ДИ» в диапазоне измерения от 0,5 до 2,0 МПа и от 0 до 0,5 МПа с погрешностью не выше ±0,8
и ±3,2% соответственно; температура масла – прибор П-109 и ТСП-8040Р в рабочем диапазоне 243–
373 К, 213–423 К с точностью ±2,4 и ±1,0% на входе и выходе из двигателя соответственно; расход
т.г. определялся прибором «ФЛОУТЕК-ТМ» (ГОСТ 8.586.1-2005) для диапазона 0–2000 м
3
/ч с по-
грешностью не более 1,0%.
В процессе испытаний определя-
ются такие основные параметры, необхо-
димые для получения системной характе-
ристики ТКА:
– частота вращения роторов (измеряется
бесконтактными датчиками оборотов);
– мощность двигателя – определяется по
показаниям давления ИКМ и вычисля-
ется по формуле
NnPN ∆+⋅⋅= СТИКМизмСТ 0267706,0
*
,
где 0,0267706 – переводной коэффициент;
измСТN – измеренная мощность на вывод-
ном валу СТ, кВт; ИКМP – давление в
ИКМ, кГс/см
2
; СТn – измеренная частота
вращения ротора СТ, мин
-1
; N∆ – поправка на мощность, учитывающая потери полного давления на
входе в двигатель и механические потери в редукторе, кВт;
– расход т.г. на стенде – определяется штатной системой измерения. В состав системы входят дат-
чики измерения температуры и давления т.г., а также перепада давления на шайбе. Пересчет рас-
*
Зависимость получена с учетом размерности давления в ИКМ в единицах давления кГс/см
2
.
Рис. 1. Стенд для испытания двигателей типа
Д-336, АИ-336 на газообразном топливе:
1 – шахта ВПТ; 2 – шумоглушитель; 3 – воздуховоды систе-
мы вентиляции; 4 – шумоглушитель выхлопа;
5 – шахта ВТ; 6 – газоотвод; 7 – вал электрогенератора;
8 – редуктор с ИКМ; 9 – выходное устройство двигателя;
10 – ГТД; 11 – входное устройство
Рис. 2. Схема размещения гребенок для исследования поля
полного давления на входе в двигатель:
1 – 5 – размещение приемников полного давления
при горизонтальном и вертикальном проходе гребенок
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 6
хода т.г. на условное топливо (у.т.) (100% метана с Н0=50056 кДж/кг (11950 ккал/кг) выполняется
по формуле
11950Т.Г.Т.Г.усл U
HGG ⋅= [кг/ч],
где Т.Г.G – массовый расход т.г., кг/ч;
U
H – удельная теплотворная способность т.г. (при 20 °C и
760 мм рт. ст.), ккал/кг; 11950 – удельная теплотворная способность у.т., ккал/кг.
Удельный расход т.г. определяется как
( )
( )
нСТ
у.т.Т.Г.
уд.
N
G
cе = [кг/кВт·ч],
где ( )
у.т.Т.Г.G – нормальный массовый расход у.т., определяемый с использованием дроссельных ха-
рактеристик двигателя, кг/ч; ( )
нСТN – номинальная мощность двигателя при нормальных условиях,
кВт;
– суммарное отношение давлений воздуха в компрессоре газогенератора ГТД
( ) ННКВД /π PPPК +=∑ .
где КВДP – избыточное давление воздуха за компрессором высокого давления (КВД), МПа; НP – дав-
ление атмосферного воздуха, МПа;
– эффективный КПД двигателя – определяется по формуле
100
50056
3600
η
уд.
⋅
⋅
=
е
е
c
(%).
Используемые стенды, их оснащение и методика исследований позволили получить экспери-
ментальные данные, необходимые для интегрального термодинамического анализа и построения си-
стемной характеристики агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45.
2. Стенды для испытания и доводки агрегатов типа ГПА-Ц
Для аэродинамических и натурных испытаний ТКА, укомплектованных ЦК и ГТД, в СМНПО
созданы [1, 2]:
– воздушные стенды для испытания ЦК, позволяющие проводить газодинамические исследования
их проточных частей (ПЧ), а также механические испытания опытных образцов компрессоров;
– блок испытательных стендов ЗК для натурных испытаний ТКА и их систем на природном газе в
широком диапазоне режимов работы, а также межведомственных испытаний агрегатов в услови-
ях, максимально приближенных к эксплуатационным на КС.
Типичная схема стенда ЗК для испытаний ТКА представлена на рис. 3 [2, 3]. Газовый контур
стенда рассчитан на давление 5,49 МПа и оснащен специальным дросселирующим устройством, поз-
воляющим испытывать ЦК в широком диапазоне изменения конечных давлений
*
. Контур имеет си-
стему охлаждения газа, созданную на основе аппаратов воздушного охлаждения (АВО) типа
АВГ-160 (11). Для плавного регулирования давления и защиты от «помпажа» между участками ЗК
высокого и низкого давления, кроме крана 16, имеются байпасный контур Ду200, оснащенный дрос-
сельным краном 14 и антипомпажным клапаном 17. Заполнение ЗК и его подпитка газом во время
испытаний производится от специального газопровода с использованием дожимной компрессорной
установки 7. Контур оборудован системами для сброса технологического газа на «свечу» 9, 10, про-
дувки сборника уплотнительного масла 12 ротора ЦК, а также приспособлением для отбора проб
технологического газа 18 при определении его химического состава перед снятием газодинамических
характеристик ЦК. Контур оснащен запорной арматурой 8, 15, 16 для регулирования производитель-
ности ЦК, а также расходомерными устройствами для замера: расхода т.г. 3 в ГТД 1, производитель-
ности ЦК 4, расхода технологического газа 5 в контуре стенда.
*
Дроссельное устройство, обеспечивающее испытание ЦК на РК = 7,45–12,0 МПа, на рис. 3 не показано.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 7
Основной системой стенда
является стендовый или опытный
образец серийного агрегата ГПА-
Ц-6,3А/56-1,45. Подготовка агрега-
тов и стенда ЗК к испытаниям со-
ответствует общепринятым прави-
лам с соблюдением требований к
размещению и выполнению мест
отбора давлений, температур и
других необходимых параметров, а
также требований программ и ме-
тодик испытаний ЦК, ГТД и агре-
гата в целом [2, 5, 7].
Для проведения испытаний
стенд укомплектован такими сред-
ствами измерений: датчиками дав-
ления и пульсаций давления, тем-
пературы, уровня вибраций, а так-
же средствами для автоматизации
процесса обработки результатов
испытаний. Вторичные приборы и
образцовые манометры, использу-
емые в процессе испытаний, распо-
лагаются в специальном боксе ря-
дом с агрегатом. Управление рабо-
той стенда осуществляется из опе-
раторной.
Для определения характеристик ЦК на стендах применяются приборы класса точности не
выше 0,4 при измерениях давлений в диапазонах 0–6,0 МПа и 0–10 МПа; при измерении температур
– термометры лабораторные с ценой деления 0,2 К для диапазона измерения температуры от 243 до
428 К. Для определения частоты вращения ротора ЦК – комплект 3300 «Bentley Nevada». Барометри-
ческое давление задается по данным метеостанции с погрешностью не выше 0,2% в диапазоне 720–
780 мм рт. ст. Характеристики измерительных средств в составе стенда соответствуют ГОСТ
Р 52782-2007 и удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Кроме испытаний ЦК и вспомогательных систем агрегата, на стенде ЗК проводились кон-
трольные испытания головного образца двигателя типа Д-336 в составе стендового агрегата
ГПА-Ц-6,3В/56-1,45, а в дальнейшем и его приемо-сдаточные и государственные испытания в составе
опытного образца серийного агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45.
3. Программа и методические особенности испытаний основных и вспомогательных систем
ТКА на стенде замкнутого контура
Турбокомпрессорные агрегаты типа ГПА-Ц-6,3А, создававшиеся на основе новых конструк-
ций ЦК и ГТД, являются агрегатами нового поколения. В связи с этим создание, испытание и доводка
опытного образца агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 осуществлялась в несколько этапов. На первом этапе
был создан стендовый агрегат ГПА-Ц-6,3В/56-1,45 с ЦК НЦВ-6,3/56-1,45 типа «баррель» и ГТД
Д-336-1, который прошел предварительные и контрольные испытания на стенде ЗК СМНПО. При
этом ЦК прошел предварительные испытания на аэродинамическом стенде, а двигатель – на ГТС ГП
ЗМКБ «Ивченко-Прогресс» для испытания двигателя Д-136. Результаты испытаний ЦК и ГТД, а так-
же других систем в составе стендового агрегата позволили создать опытный образец серийного агре-
гата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45, который прошел заводские и межведомственные испытания на стенде ЗК.
При этом впервые при создании блочно–комплектных агрегатов одновременно проводились прие-
мочные и государственные испытания двигателя и агрегата. Новый агрегат по своим технико-
Рис. 3. Схема стенда замкнутого контура СМНПО для натурных
испытаний ТКА на природном газе
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 8
экономическим показателям показал существенное улучшение по сравнению со своим предшествен-
ником – агрегатом типа ГПА-Ц-6,3М с двигателем НК-12СТ и ЦК типа НЦГ-6,3 [1].
Специфичность конструкции ЦК высокого давления, а также требования эффективной и
надежной эксплуатации ГТД авиационного типа в условиях КС газовой промышленности потребова-
ли выполнения комплекса испытаний узлов и систем агрегата с точки зрения его энергоэффективно-
сти, надежности, экологичности и удобства эксплуатации. Все эти аспекты были учены при разработ-
ке соответствующих программ испытаний.
3.1. Методические особенности испытаний ЦК на стенде замкнутого контура
В процессе создания компрессора НЦВ-6,3/56-1,45 предварительно были выполнены механи-
ческие испытания, снятие размерных и безразмерных газодинамических характеристик на модельном
аэродинамическом стенде ( )0Пη Фf= , ( )0Пψ Фf= ( Пη – политропный КПД, 0Ф – условный коэффи-
циент расхода, Пψ – коэффициент политропного напора) [2, 4, 5].
Натурные испытания ЦК на стенде ЗК первоначально были проведены в составе стендового
образца агрегата, а затем в составе опытного образца серийного агрегата при давлении 5,49 МПа.
Природный газ, использовавшийся в ЗК стенда при испытаниях ЦК, соответствовал ГОСТ 5542-2015.
При испытаниях ЦК в составе стендового агрегата, были получены безразмерные газодина-
мические характеристики ( )0П,П π,ψ,η ФfКi
= , а также размерные характеристики ( )HП,, VfN
Ki
=ηπ
в зависимости от объемного расхода HV компрессора (м
3
/с) в достаточно широком диапазоне изме-
нения частоты вращения ротора (n = 7800÷8400 об/мин). При этом состав газа и условия испытаний
по давлению и температуре обеспечивали выполнение условий автомодельности по числам Маха
2
M
u
и Рейнольдса
2
Rе
u
.
Проверка соответствия характеристик компрессора техническому заданию на создание ЦК
для агрегата линейной КС проведена согласно программе испытаний [4], разработанной в соответ-
ствии с [5]. Перед испытаниями все приборы прошли поверку в государственной метрологической
службе.
Определение мощности, потребляемой компрессором в процессе испытаний, выполнялось с
использованием его параметров с применением метода теплового баланса. Обработка результатов
испытаний ЦК производилась согласно общепринятым методикам по таким формулам [1, 2, 4]
– отношение давлений
HKπ PPК = ; (1)
– политропный КПД
⋅
−
π=
H
K
П ln
1
lgη
T
T
k
k
K ; (2)
– массовый расход, кг/ч
( ) 3600ρ
4
1416,3εα ДДД
2
21
⋅⋅∆+∆⋅⋅⋅= PPg
d
G ; (3)
– объемный расход, м
3
/с
НH ρGV = ; (4)
– политропный напор, Дж/кг
−⋅⋅⋅= 1πσ σ
1
HП TRH ; (5)
– число политропы
( )1/ησ П −⋅= kk ; (6)
– полный напор, Дж/кг
ПП η/HH i = ; (7)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 9
– коэффициент политропного напора
2
2ПП /uH=ψ ; (8)
– окружная скорость рабочего колеса, м/с
60/22 nDu π= ; (9)
– коэффициент внутреннего напора
ПП ηψψ =i ; (10)
– условный коэффициент расхода
( )[ ]2
22
0H0 1416,34 udDVФ вт ⋅−⋅= . (11)
При этом в формулах (1) – (11) использовано следующие обозначения: HP и KP – начальное и
конечное давление, Па; k – показатель адиабаты; HT , KT – начальная и конечная температура, К; α ,
ε – коэффициент расхода и поправочный множитель на расширение измерительной диафрагмы [4];
d – диаметр измерительной диафрагмы, м; ДP∆ – перепад давления на диафрагме, Па; Дρ – плот-
ность газа перед диафрагмой, кг/м
3
; R – газовая постоянная, Дж/(кг·К).
Величина среднеквадратичных погрешностей определения параметров для номинального ре-
жима работы ЦК с Kπ =1,5–2,2, согласно данным работы [2], не превышает (%): Пση , 2...5,1σψП ±= ;
5,1...1σ H ±=V ; 5,2...2σ ±=iN . Расчетные значения среднеквадратичных погрешностей определения
основных показателей для компрессора НЦВ-6,3В/56-1,45, полученные в процессе его испытаний на
стенде ЗК, для режима, близкого к номинальному, не превышают вышеуказанный диапазон значений
погрешностей.
3.2. Методические особенности испытаний ЦК на стенде замкнутого контура
Одним из условий испытаний ГТД в составе стендового агрегата на втором этапе работ было
определение механической мощности, производимой ГТД, по параметрам ЦК. Погрешность опреде-
ления мощности при этом не должна превышать ±2%. Перед контрольными испытаниями ГТД были
выполнены: монтаж, отладка и запуск двигателя; проверка работоспособности систем двигателя в
объеме 300 ч; определение характеристик ГТД и проверка их соответствия характеристикам ЦК; ана-
лиз вибрационных характеристик во всем диапазоне рабочих частот вращения роторной системы
ТКА. С учетом полученных результатов были также проведены эквивалентно-циклические испыта-
ния (ЭЦИ) двигателя на ресурс 10 и 15 тыс. ч по наработке основных узлов и деталей, а также его
комплектующих изделий. Были также приняты во внимание результаты ранее проведенных исследо-
ваний на ГТС в ГП «Ивченко-Прогресс» по определению внешней характеристики двигателя
( )СТСТ nfN = при условии постоянной частоты вращения ротора газогенератора constВД =n , а также
результаты исследования возможности достижения эксплуатационного ресурса 25–30 тыс. ч, исходя
из результатов ЭЦИ, и назначенного ресурса 100 тыс. ч, а также исходя из анализа наиболее нагру-
женных деталей газогенератора двигателя (рабочая лопатка и диск ТВД, диск 5-й ступени КВД).
Учитывались также ресурс подшипников, вибронапряженность деталей роторов компрессоров низко-
го и высокого давления; рабочих лопаток турбин высокого и низкого давления, СТ и дисков турбин
(величины пределов выносливости дисков определялись расчетно-экспериментальным путем); дина-
мической прочности валов и трубопроводов; вибрационных характеристик двигателя в целом, а так-
же безотказности двигателя, составившей 4000 ч по наработке на отказ.
При подготовке и реализации третьего этапа работ в процессе испытаний и доводки опытного
образца серийного агрегата ГПА-Ц-6,3А/56-1,45 по ГТД был выполнен комплекс исследований, за-
ключавшийся в следующем:
– проверка системы топливопитания и регулирования на всех режимах при давлении газа на входе в
дозатор топлива 2,4±0,1 МПа;
– определение теплотехнических характеристик двигателя в составе агрегата по параметрам работы
ЦК;
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 10
– определение характеристик запуска (время выхода на режим малого газа 45–55 с при температуре
газа за турбиной 793 К);
– определение характеристик двигателя при переходе с режима «малый газ» на режим 7,8 МВт; при
этом величина ∆Рвх = 30 мм вод. ст., а потери ∆Рвых = 290 мм вод. ст.;
– виброисследование с определением виброперегрузок в плоскостях передней и задней опор двига-
теля (виброскорости не превышали 8 мм/с при допустимом значении 35 мм/с);
– определение эмиссии СО и NОх в продуктах сгорания двигателя (концентрация NОх –
99,2 мг/нм
3
; СО – 125 мг/нм
3
для сухой пробы при температуре 273,15 К, давлении 0,1013 МПа и
условной концентрации кислорода 15%), а также токсичность воздушной среды на расстоянии 20
и 60 м от ТКА (измерения показали полное рассеивание СО и NОх в соответствующих точках из-
мерения);
– определение уровня шумов (на низких частотах уровень шумов намного ниже, чем двигателя-
аналога НК-12СТ в предыдущей модификации агрегата);
– испытания на превышение частоты вращения роторов НД, ВД и СТ (двигатель обеспечивает
надежную работу при превышении частоты вращения ротора НД на 13%; ВД – на 7,6–7,8% и СТ –
на 11,4–11,9%);
– оценка работоспособности системы смазки и суфлирования показала, что она обеспечивает рабо-
тоспособность двигателя на всех эксплуатационных режимах;
– оценка пусковых свойств двигателя (система обеспечивает стабильный запуск от минус 60 до
плюс 45 °C и высотах до 1000 м над уровнем моря);
– проверка системы автоматизированного управления и контроля (система обеспечивает настройку
любого режима в диапазоне «малый газ – максимальный режим» и обеспечивает выход и устойчи-
вую работу до Ne = 7,68 МВт);
– проверка влияния максимальных отборов воздуха на параметры двигателя показала устойчивость
его работы при соответствующих отборах.
Оценка возможности надежной эксплуатации двигателя в условиях обледенения, а также при
попадании воды в его ПЧ показала, что работа двигателя в составе ТКА будет достаточно надежной.
Ряд проверок, таких, как оценка устойчивости работы камеры сгорания, оценка температурных полей
перед ТВД и ТНД, контролепригодности и технологии изготовления двигателя, а также оценка ре-
монтопригодности двигателя типа Д-336, осуществлялись с учетом наличия соответствующих дан-
ных по авиационным двигателям-прототипам Д-36 и Д-136.
3.3. Некоторые особенности испытания вспомогательных систем ТКА
При работе ТКА в составе стенда ЗК проводились также испытания вспомогательных систем
агрегата с целью определения: величины гидравлических потерь в ВПТ и выхлопном тракте (ВТ);
параметров работы системы вентиляции отсека двигателя; пульсаций давления и скорости потока в
сечении канала всасывания непосредственно перед входом потока циклового воздуха в ГТД (см. п.1);
экологических характеристик агрегата, в т. ч. шумовых характеристик, и уровня рассеивания вы-
хлопных газов ГТД в зоне расположения ТКА.
Отметим некоторые методические особенности испытаний, результаты которых оказывают
непосредственное влияние на термодинамические и энергетические показатели ТКА. В частности,
величина гидравлических потерь в ВПТ определяется с использованием дифференциальных водяных
манометров при их подключении к камере всасывания ВПТ с помощью специальных штуцеров.
Гидравлические потери в ВТ определялись с использованием специально изготовленных гре-
бенок с цилиндрическими насадками для замера потерь полного давления. Точность замера составля-
ла ±2 мм. вод. ст.
Испытания системы вентиляции отсека ГТД при работе всех вентиляторов суммарной мощ-
ностью 15 кВт сводились к определению максимальной температуры воздуха в отсеке двигателя в
местах расположения различных приборов: светильников, датчика загазованности, датчиков системы
пожаротушения.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2017, Т. 20, № 1 11
Заключение
Создание блочно-комплектного ТКА на основе ЦК высокого давления и конвертированного
ГТД авиационного типа мощностью 6,3 МВт потребовало создания экспериментальной базы для мо-
дельных и натурных испытаний, а также освоения методики испытаний и доводки различных систем
ТКА. Это позволило освоить производство газоперекачивающего оборудования как для новых КС,
так и для модернизации газотранспортных систем Украины и других стран.
Литература
1. Апанасенко, А. И. Монтаж, испытания и эксплуатация газоперекачивающих агрегатов в блочно-
контейнерном исполнении / А. И. Апанасенко, Н. Г. Крившич, Н. Д. Федоренко. – Л.: Недра, 1991. – 361 с.
2. Парафейник, В. П. Научные основы совершенствования турбокомпрессорных установок с газотурбинным
приводом: Автореф. дис. д-ра техн. наук / В. П. Парафейник – Харьков, 2009. – 41 с.
3. Стенды для испытаний газоперекачивающих агрегатов типа ГПА-Ц / А. И. Апанасенко, В. П. Парафейник,
А.М. Хорощенко, Ю.Л. Рухлов, С.В. Барнев // Хим. и нефт. машиностроение. – 1985. – № 6. – С. 27–28.
4. Компрессор центробежный. Программа и методика приёмо-сдаточных испытаний со снятием газодинамиче-
ских характеристик. 177.0000.000-06 ПМ. – Сумы, ОАО «Сумское НПО им. М. В. Фрунзе» – ВНИИгаз.
2003. – 17 с.
5. API STANDARD 617. Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors. Eighth Edition, API
Publishing Services. 2014. –386 р.
6. Солохин, Э. Л. Испытание воздушно-реактивных двигателей / Э. Л. Солохин. – М.: Машиностроение, 1975. –
356 с.
7. Повх, И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении / И. Л. Повх. – М.: Машиностроение, 1974. –
480 с.
Поступила в редакцию 19.10.16
А. И. Бабаев
Институт проблем
машиностроения
им. А. Н. Подгорного
НАН Украины, г. Харьков,
e-mail: babayev_ai@mail.ru
УДК 621.165
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
КОМБИНИРОВАННЫХ СТОПОРНО-
РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПАРОВЫХ
ТУРБИН
Наведено аналіз сучасних конструкцій комбінованих стопорно-
регулюючих клапанів для потужних паротурбінних установок. Порівняль-
ний аналіз дозволив визначити основні переваги та недоліки конструкцій,
надійність їх експлуатації. Визначено, що використання наведених конс-
трукцій приводить до зниження гідравлічного опору, металоємності та
значно спрощує компонування вузла паророзподілу
Ключові слова: регулюючий
клапан, паророзподіл, парова
турбіна.
Актуальность темы
Основными элементами системы автоматического регулирования и защиты всех паротурбин-
ных установок являются дроссельно-регулирующие клапаны.
Независимо от конструкции любой клапан обладает гидравлическим сопротивлением, что
неизбежно приводит к снижению давления перед проточной частью турбины. При этом за счет сни-
жения располагаемого теплоперепада увеличивается удельный расход топлива.
Одним из современных направлений в проектировании новых турбоустановок является при-
менение комбинированных стопорно-регулирующих клапанов (СРК) в части высокого давления (ВД)
и после промежуточного перегрева (ПП) перед частью среднего давления.
Стремление объединить в едином корпусе регулирующий клапан (РК) и стопорный клапан
(СК) обусловлено следующими факторами [1]:
− снижением гидравлического сопротивления части паровпуска;
А. И. Бабаев, 2017
|