Федеральное агентство по образованиюРФ
ГОУ ВПО «Уральский ГосударственныйТехнический Университет – УПИ»
Кафедра «Турбины и двигатели»
Лабораторная работа №1
«Тепловое испытание газотурбиннойустановки»
Вариант 2.2
Преподаватель: Комаров О.В.
Студент: Анкудинов А.В.
Группа: Т – 53043
2007
ВВЕДЕНИЕ
Тепловое испытание — одноиз множества возможных видов экспериментальных исследований, проводимых нагазотурбинных установках (ГТУ).
Цель испытаний –определение основных характеристик ГТУ: развиваемой полезной мощности итопливной экономичности, количественно выражающейся в величине эффективного КПД.
На стадии отработкиконструкции ГТУ задача тепловых испытаний – получение данных об эффективностиновых конструкторских решений, предлагаемых разработчиками, а также проверкасоответствия характеристик ГТУ требованиям, сформулированным в задании на проектирование.
На стадии эксплуатацииГТУ задача тепловых испытаний – определение фактических характеристик агрегата,меняющихся с течением времени под действием эксплуатационных факторов, т.е.оценка ее технического состояния, а также получение данных о результативностимодернизаций, проводимых для улучшения показателей.
Принципы проведениятепловых испытаний стационарной ГТУ должны удовлетворять требованиям основногонормативного документа – ГОСТ 20440-75 «Установки газотурбинные. Методыиспытаний». При этом следует учитывать требования ГОСТ 21199-75 «Установкигазотурбинные. Общие технические характеристики» и
ГОСТ 28775-90 «Агрегатыгазоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические характеристики».
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯИСПЫТАНИЙ
Испытания проводятся настенде завода-изготовителя, площадка которого расположена в городской черте.
Эти обстоятельстваповлекли возникновение ряда достаточно серьезных проблем и потребоваливключения в принципы организации испытаний особых приемов их разрешения.
Проблема 1. В городской черте отсутствуетмагистральный газопровод высокого давления, к которому должен был бытьподключен нагнетатель природного газа, приводимый во вращение испытуемой ГТУ.
Работа нагнетателя навоздухе, используемая иногда для получения его газодинамических характеристик,задачу поглощения полной мощности, развиваемой ГТУ, не решает.
Традиционно при стендовыхиспытаниях турбоустановок и других двигателей большой мощности такого родапроблему решают применением специальных нагрузочных устройств: электрическихили гидравлических тормозов, обеспечивающих при заданном балансе крутящих итормозных моментов требуемые частоты вращения роторов.
Для рассматриваемыхиспытаний завод-изготовитель применил другой вид нагрузочного устройства –воздушный нагрузочный компрессор (ВНК) осевого типа собственного изготовления.
Контур ВНК по воздуху былвыполнен разомкнутым, т.е. воздух забирался из атмосферы и после ВНКсбрасывался в атмосферу.
Это исключило задачуохлаждения воздуха после ВНК и тем самым существенно упростило испытательныйстенд и уменьшило его габариты.
Решение проблемынагружения ГТУ применением ВНК привело, в свою очередь, к возникновениюпроблемы неполной согласованности газодинамической характеристики этогокомпрессора и характеристики силовой турбины.
Указаннаянесогласованность проявилась в том, что рабочие значения частот вращения роторасиловой турбины при испытаниях составили 5875…6187 об/мин, тогда какноминальное значение – 5500 об/мин.
Этот факт повлек двапоследствия.
Во-первых, потребовалосьизменить настройку автомата безопасности силового вала.
Во-вторых, из-за смещениярабочего диапазона частот вращения силовая турбина имела пониженные КПД, т.к.работала при неоптимальных значениях характеристического коэффициента (U/Cф).
Проблема 2. Для обеспечения ГТУ топливомнеобходим природный газ с давлением несколько выше давления воздуха,поступающего из циклового компрессора в камеру сгорания.
Для данной ГТУ давлениевоздуха составляло 9,44…11,87 кгс/см2, а давление топливного газа –12,05…13,85 кгс/см2.
Для ГТУ на заводскомстенде в городской черте топливный газ получают из магистралей городскихгазовых сетей, в которых газ имеет относительно невысокое давление – 6 кгс/см2.
Для того чтобы иметьтопливный газ требуемого давления, в состав комплекса оборудованияиспытательного стенда была включена дополнительная система, содержащая дожимнойнагнетатель (ДН) – центробежный компрессор, повышающий давление газа изгородской магистрали до необходимого давления.
В качестве привода ДНбыла использована паровая турбина, для которой водяной пар подводился попаропроводу с заводской ТЭЦ. После турбины пар сбрасывался в атмосферу.Дополнительной проблемой был интенсивный шум, излучаемый струей сбрасываемогопара.
Проблема 3. Штатное пусковое устройство ГТУ –турбодетандер, т.е. расширительная турбина, рабочим телом которой служит газ,отбираемый из магистрального газопровода.
Ввиду уде отмеченногоотсутствия в городской черте магистрального газопровода высокого давления вкачестве пускового устройства применена паровая турбина построенная на основештатного турбодетандера, переконструированного для работы на водяном паре.
После пусковогоустройства пар сбрасывался в атмосферу.
Проблема 4. Компоновки ГТУ на заводском стенде ина газокомпрессорной станции различны, поэтому воздухозаборное и выхлопноеустройства имеют нештатную конфигурацию.
Соответственно этомувеличины гидравлических сопротивлении всасывающего и выхлопного патрубков несовпадают с паспортными значениями.
Проблема 5. Как известно, при работе ГТУ состороны всасывающего и выхлопного патрубков излучается интенсивный шум.
Поскольку вблизизаводской площадки расположены жилые кварталы, возникла необходимость принятьмеры подавления этого шума.
Для этого былиустановлены щиты, отражающие шум на территорию завода, и усилена системашумоглушения.
Последняя из указанныхмер привела к повышению гидравлических сопротивлений всасывающего и выхлопногопатрубков.
Таким образом, вследствиерассматриваемой здесь и предыдущей проблем величины гидравлическихсопротивлений всасывающего и выхлопного патрубков изменились по сравнению соштатными значениями, что вызвало искажение основных результатов испытаний –значений мощности и КПД. Эти погрешности корректируют введением поправок прирасчете приведенных основных параметров ГТУ.
Проблема 6. Воздух в городской черте и,соответственно, на площадке завода более запылен, чем на территориигазокомпрессорной станции, так как не реализованы меры по укреплениюповерхности почвы (посадка травы, выкладывание плитами и т.п.).
Это обстоятельство моглобы потребовать большего внимания к состоянию воздухоочистительного устройстваГТУ или его усиления.
Однако, посколькусуммарное время работы агрегата при испытаниях невелико, то абсолютноеколичество пыли, попадающее с воздухом в тракты ГТУ, также невелико, поэтомудополнительных мер для решения данной проблемы не принимали.
Проблема 7. Штатная система маслоохлаждения ГТУ– воздушная, т.е. построенная на базе аппаратов воздушного охлаждения –устройств громоздких.
Ввиду ограниченностизаводской площадки, система охлаждения масла ГТУ, ВНК и ДН была выполнена изгораздо более компактных водяных маслоохладителей. Охлаждение водыосуществлялось по оборотной схеме – в градирне, уже имеющейся на территориизавода.
ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙСХЕМЫ
Схема измеренийобразована совокупностью точек (сечений) по трактам ГТУ и ВНК, в которыхопределяют параметры рабочих тел.
В указанных точкахустанавливают гильзы, зонды, штуцеры отборов, расходомерные устройства и т.п.
Измерительные приборылибо размещают в точках измерений непосредственно на узлах ГТУ, либо размещаютих в специальных помещениях и соединяют с точками измерений импульсными линиямиили проводами.
Схема измерений притепловом испытании ГТУ представлена на рис. 1.
/>
Рис. 1
На схеме представленытолько те измерения, по которым при обработке результатов испытанийрассчитывают термодинамические и газодинамические параметры рабочих телтурбомашин и затем показатели ГТУ в целом.
Расход топливного газаизмеряют с помощью стандартных расходомерных диафрагм в двух точках топливноготракта: до и после блока регулирования – точка 3а и 3б соответственно. Наличиедвух замеров расхода топлива гарантирует надежность проведения испытания,поскольку при сбое в этом измерении невозможно оценить КПД ГТУ.
Полное избыточноедавление за ТВД измеряется в пяти точках по высоте данного сечения тракта ГТУ –точки 13…17.
При обработке результатовиспытаний используют осредненное значение этого параметра.
Температуру продуктовсгорания за КС не измеряют, так как измерение с требуемой точностью порядка1000 ºC трудно осуществимо вследствиебольшого числа источников погрешностей. Оценочное значение указаннойтемпературы может быть вычислено, например, по материальному и энергетическомубалансу КС.
Полные избыточныедавления продуктов сгорания в сечениях за ТВД и перед ТНД различны по величине,поскольку в переходном патрубке между ТВД и ТНД поток существенноперестраивается и, кроме того, здесь имеет место потеря полного давления вследствиегидравлического сопротивления патрубка. В связи с этим, давление за ТВД и передТНД измеряют независимо, соответственно точки 13…17 и точка 19.
Расходы воздуха (перед ОК– точка 10 и на входе ВНК – точка 24) измеряют с помощью сужающих устройствспециального вида – торцевых диафрагм, установленных на срезе воздухозаборов.
Наряду с параметраминаружного воздуха – точки 1, 5 – измеряют и параметры воздуха на входе ОК –точки 17, 11 и ВНК – точки 21, 25.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕПРИМЕНЯЕМЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В рассматриваемыхиспытаниях были применены следующие измерительные устройства:
1. Первичные датчики иприборы
· Первичные датчикичастоты вращения (роторов ОК-ТВД и СТ-ВНК) – индуктивные датчики. Выдают электрическийсигнал в виде переменного тока, частота которого пропорциональна частотевращения роторов.
· Первичные датчикитемператур низкого уровня (наружный воздух, воздух перед ОК и ВНК, топливныйгаз) – медные термометры сопротивления.
· Термометры сопротивлениявыдают электрический сигнал в виде величины изменения сопротивления ихчувствительного элемента, пропорционального уровня температур.
· Первичные датчикитемператур среднего уровня (воздух за ОК, воздух за ВНК, низконапорный воздух)– платиновые термометры сопротивления.
· Первичные датчикитемператур высокого уровня (продукты сгорания в выхлопном патрубке) –хромель-алюмелевые термопары. Термопары выдают электрический сигнал в видевеличины термо-ЭДС, пропорциональной уровню температур.
· Первичные приборырасхода топливного газа – стандартные расходомерные диафрагмы, которые выдаютпневматический сигнал в виде перепада давлений в их измерительных камерах.Величина перепада пропорциональна квадрату расхода газа.
· Первичные приборырасхода воздуха через ОК и ВНК – торцевые диафрагмы.
2. Зонды
· В сечениях передТВД и ТНД установлено по два зонда полного давления продуктов сгорания.
Зонды размещены с помощьюбобышек, приваренных к нижней половине корпуса турбины, в радиальныхнаправлениях, наклоненных к плоскости горизонтального разъема под углами30º (для ТНД — 25º).
Приемники зондов выдаютпневматические сигналы, пропорциональные полному давлению на входе в приемник.
· В сечении за ТВДустановлен один пятиточечный зонд полного и статического давлений продуктовсгорания.
Зонд размещен на нижнейполовине корпуса турбины горизонтально.
Приемники такого зондавыдают два пневматических сигнала, один из которых пропорционален полномудавлению на входе в приемник, а второй – статическому.
· В сечении за ТНДустановлено по два семиточечных зонда полного и статического давлений продуктовсгорания.
Зонды размещены на нижнейполовине корпуса турбины в радиальных направлениях, наклоненных к плоскостигоризонтального разъема под углом 5º.
· В выхлопномпатрубке ГТУ установлены зонды для определения полей полной температуры, атакже зонды полного и статического давлений продуктов сгорания.
В связи со значительнымиразмерами газохода число точек достаточно велико.
Положения зондов повысоте газохода в разных плоскостях не совпадают, так что аэродинамическиеследы зондов, размещенных выше по потоку, не влияют на показания зондов,расположенных ниже по потоку. В этих же целях зонды для измерения давленийустановлены выше по потоку.
Чувствительные элементыприемников температурного зонда – спаи термоэлектродов – размещены в камерахторможения приемников. Термоэлектроды изолированы друг от друга жаростойкойкремнеземистой нитью.
Измерительный сигналтермопар – термо-ЭДС, снимаемая с концов термоэлектродов.
Преобразователи,конечные приборы, система сбора данных
Автоматизированный сбор иавтоматизированная обработка экспериментальных данных во время испытаний ГТУвозможны, если все измерительные сигналы имеют электрический характер ипредставлены в цифровом виде.
Сигналы термометровсопротивления, термопар, индуктивных датчиков частоты вращения – аналоговыеэлектрические по своей природе. Пневматические сигналы подвергли преобразованиюв электрический вид с помощью преобразователей типа «Сапфир», работающих натензометрическом принципе.
Преобразование аналоговыхэлектрических сигналов в цифровой вид выполняли с применением цифровыхвольтметров.
Сигналы датчиков вращенияотцифровывали с помощью цифрового частотомера.
Цифровые устройства были,по существу, конечными приборами.
Оцифрованные сигналыпоступали в систему сбора данных, где происходило их накопление и вывод напечать.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Первичные сигналы от датчиков и приборов переводили взначения параметров с помощью тарировочных графиков и таблиц.
Заведомо ошибочные результаты замеров отбрасывали.
Исходные данные по замерам подвергали предварительномупреобразованию:
1) осреднению давлений по сечениям: за ТВД, перед ТНД, ввыхлопном газоходе и др.;
2) осреднению температур по сечениям: перед и за ОК. перед иза ВНК, в выхлопном газоходе и др.
При расчете ряда параметров использовали распределениерасходов потоков в системе охлаждения, принятое для номинального режима работыГТУ, при этом считалось, что в относительном безразмерном виде это распределениесохраняется при смене режима работы ГТУ.
Результаты испытаний приведены к нормальным условиям, чтодает возможность сопоставлять результаты разных по времени испытаний независимоот атмосферных параметров на момент испытания.
В ряде расчетов были использованы предварительно оцененныекоэффициенты влияния, которые, как известно, показывают силу связи малыхотносительных изменений параметров-аргументов с относительными изменениямипараметров-функций.
Коэффициенты влияния получают путем анализа взаимосвязейпараметров в цикле и схеме ГТУ расчетом по методу малых отклонений или поданным испытаний ГТУ.
Эти расчеты достаточно сложны, так как число параметров ГТУвесьма велико, а связи между ними также многочисленны и, коме того, имеютнелинейный характер.
В данной работе коэффициенты влияния использованы какпоправки при обработке результатов испытаний в приведенной к нормальнымусловиям форме.
Результаты испытаний вприведенной форме дополнительно обработаны для представления их в безразмерномвиде.
Для расчета расходатопливного газа, а также расходов воздуха в ОК и ВНК по данным замеровперепадов давления на расходомерных диафрагмах использованы следующие значениякоэффициентов:
– диафрагма топливногогаза />=0,1277;
– торцевая диафрагма ОК />=59,341;
– торцевая диафрагма ВНК />=43,805.
При обработке результатовиспытаний, как правило, использована Международная система единиц СИ.
Пересчет физическихвеличин из одной размерности в другую производят по следующим известнымсоотношениям.
Для давления: 1мм рт.ст.=1,35951·10-3 кгс/см2;
1 кгс/м2 =10-4кгс/см2; 1 кгс/см2 =9,80665·104 Па.
Для теплоты: 1ккал/кг =4,1868 кДж/кг.
Для теплоемкости: 1ккал/(кг·ºС) = 4,1868 кДж/( кг·ºС).
Паспортные техническиехарактеристики испытуемой ГТУ представлены в табл. 1.
Топливо ГТУ – природныйгаз, характеристики которого приведены в табл. 2.
Таблица 1 — Техническиехарактеристики испытуемой ГТУПараметр Размерность Значение Номинальная температура наружного воздуха ºС 15 Номинальное атмосферное давление Па 101300 Сопротивление входного тракта Па 506 Сопротивление выходного тракта Па 710 Номинальная мощность кВт 25000 Эффективный КПД - 0,315 Номинальный объемный расход топлива
м3/ч 8270 Удельный объемный расход топлива
м3/(кВт·ч) 0,331 Температура газа перед ТВД ºС 1020 Температура газа за силовой турбиной ºС 467 Степень повышения давления компрессора ГТУ - 13 Расход воздуха через компрессор кг/с 103 Температура воздуха за компрессором ºС 386 Частота вращения турбокомпрессорного вала об/мин 7100 Частота вращения вала силовой турбины об/мин 5500 /> /> /> />
Таблица 2Наименование величины Обозначение Размерность Значение Плотность
20
кг/м3 0,677 Теплота сгорания
/> ккал/кг 11610 Стехиометрический коэффициент
L0 кг/кг 16,82
АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИРЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОВОГО ИСПЫТАНИЯ ГТУ
Исходные данные приведеныв таблице 3.
Таблица 3Наименование параметра Обозначение Размерность Значение Барометрическое давление
/> мм рт. ст. 727,0 Температура топливного газа, полная
/> ºС 60,0 Перепады давления на расходомерных диафрагмах топливного газа до и после блока регулирования
∆hТ
кгс/м2 2027,0 Давление топливного газа, избыточное
/>
кгс/см2 11,05 Температура наружного воздуха, полная
/> ºС -9,4 Температура воздуха в отборе, полная
/> ºС 168,0 Температура воздуха перед ОК, полная
/> ºС -6,9 Температура воздуха за ОК, полная
/> ºС 310,0 Частота вращения ротора ОК-ТВД
nВД об/мин 6530,0 Перепад давления на торцевой расходомерной диафрагме ОК
∆hК
кгс/м2 619,0 Давление воздуха перед ОК, полное избыточное
/>
кгс/м2 -576,0 Давление воздуха за ОК, полное избыточное
/>
кгс/см2 9,68 Давление за ТВД (т.1), полное избыточное
/>
кгс/см2 Давление за ТВД (т.2), полное избыточное
/>
кгс/см2 Давление за ТВД (т.3), полное избыточное
/>
кгс/см2 1,624 Давление за ТВД (т.4), полное избыточное
/>
кгс/см2 Давление за ТВД (т.5), полное избыточное
/>
кгс/см2 Температура газов в выхлопном патрубке, полная
/> ºС 424,0 Давление перед ТНД, полное избыточное
/>
кгс/см2 1,583 Давление в выхлопном патрубке, полное избыточное
/>
кгс/м2 180,0 Температура воздуха перед ВНК, полная
/> ºС -8,1 Температура воздуха за ВНК, полная
/> ºС 214,1 Частота вращения ротора ТНД(СТ)-ВНК
nНД об/мин 5865,0 Перепад давления на торцевой расходомерной диафрагме ВНК
∆hВНК
кгс/м2 687,0 Давление воздуха перед ВНК, полное избыточное
/>
кгс/м2 -1141,0 Давление воздуха за ВНК, полное избыточное
/>
кгс/см2 3,16
Далее результаты расчетасведены в таблицу 4.
Таблица 4Наименование параметра Обозначение Формула Размер-ность Значение Барометрическое давление
В
В=В// 735,5
кгс/см2 0,988 Абсолютное давление топливного газа
рТ
рТ=/>+В
кгс/см2 12,038 Абсолютное полное давление воздуха перед ОК
/>
/>=/>·10-4+В
кгс/см2 0,931 Абсолютное полное давление воздуха за ОК
/>
/>=/>+В
кгс/см2 10,668 Абсолютное полное давление в выхлопном патрубке
/>
/>=/>·10-4+В
кгс/см2 1,006 Расход топливного газа
GТГ
/> кг/с 1,09 Расход воздуха в ОК
GK
/> кг/с 90,40 Относительный расход топливного газа
/>
/> 0,012 Степень повышения давления в ОК
/>
/> 11,46 Относительный расход газа через ТВД с учетом всех отборов воздуха до КС
/>
/> 0,932 Коэффициент избытка воздуха в ТВД
/>
/> 4,527 Расчетная температура воздуха для камеры сгорания
/>/2
/>/2=/>/2 ºС 155
Теплоемкость воздуха по />/2 (при =∞)
/>
/> ккал/(кг·ºС) 0,243 Расчетная температура газа за ТВД
/>/2
(/>/2)=/>/2 ºС 429,2
Теплоемкость газа по />/2 и ТВД
/>
/> ккал/(кг·ºС) 0,264 Температура газа перед ТВД
/>
/> ºС 858,4 Расход воздуха через ВНК
GВНК
/> кг/с 70,31 Расчетная температура воздуха для ВНК
[(/>+/>)/2]
(/>+/>)/2=(/>+/>)/2 ºС 103
Теплоемкость воздуха по (/>+/>)/2
/>
/> ккал/(кг·ºС) 0,241 Внутренняя мощность ВНК
NiВНК
/> кВт 15791,2 Механические потери на валу ВНК
/>
/> кВт 91,8 Эффективная мощность на валу ГТУ
Ne
/> кВт 15883,1 Эффективный КПД ГТУ
e
/> 0,299 Температура газа за ТНД
/>
/> ºС 428,0 /> /> /> /> /> />
ПРИВЕДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВОБРАБОТКИ К НОРМАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ
По ГОСТ определениемощности и КПД ГТУ необходимо производить при нормальных условиях, которыезаданы следующим образом:
1. Для воздуха на срезевходного патрубка компрессора:
– полное давление 1,033кгс/см2;
– полная температура15ºС (288К);
– относительная влажность60%
2. Для уходящих газов всрезе выходного патрубка турбины:
–статическое давление1,033 кгс/см2.
Алгоритм приведения результатовк нормальным условиям сведен в табл. 5.
Таблица 5Наименование параметра Обозначение Формула Размерность Значение Относительное изменение давления на входе ОК
/>
/> % 6,18 Относительное изменение давления на выхлопе ГТУ
/>
/> % 1,79 Приведенная мощность ГТУ
/>
/> кВт 19607,5 Приведенный КПД ГТУ
/>
/> 0,319 Приведенная температура газа перед ТВД
/>
/> ºС 893,0 Приведенная температура газа за ТНД
/>
/> ºС 373,6 Приведенный расход воздуха через ОК
GK ПР
/> ºС 105,11 Приведенная частота вращения ротора ТВД
nВД ПР
/> об/мин 6827,0 Приведенная частота вращения ротора ТНД
nНД ПР
/> об/мин 6110,3 Приведенная степень повышения давления в ОК
/>
/> 11,53 Приведенный расход топливного газа
/>
/> кг/с 1,2242 Приведенный объемный часовой расход топливного газа
/>
/>
м3/ч 6509,436 Приведенный удельный расход топлива
/>
/>
м3/(кВт·ч) 0,331
ПРИВЕДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВОБРАБОТКИ К БЕЗРАЗМЕРНОМУ ВИДУ
Общий вид такогопреобразования />. Здесь />– приведенное значениепараметра, а Х0– номинальное. Номинальные значенияпреобразуемых параметров ГТУ приведены в таблице 1.
Таблица 6Параметр Значение
/> 0,784
/> 1,011
/> 0,787
/> 1,003
/> 0,8756
/> 0,800
/> 0,887
/> 1,020
/> 0,962
/> 1,111
Для безразмерныхотносительных параметров известны приведенные оценочные взаимосвязи (таблица7).
Таблица 7Параметр Значение
/> 0,542
/> 0,657
/> 0,924
/> 0,817
/> 0,879
/> 0,773