Метрологическое обеспечение эксплуатационных испытаний газотурбинных двигателей

Лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛДИС) может работать как с естественными пылевыми частицами, так и с частицами, засеиваемыми в исследуемое пространство извне от специального источника. Рекомендуемый размер - от 1 до 2 мкм. При прохождении частицы, летящей со скоростью V, в рабочей зоне измерения частицы за счет интерференционных полос будет создаваться пульсирующий световой поток, падающий на фотоэлектронный умножитель и образовываться пакет импульсов, поступающих в регистратор. В устройствах ЛДИА могут использоваться различные схемы обработки информации: системы слежения и измерения доплеровской частоты, системы с анализатором спектра.

Система слежения за доплеровской частотой до 200 МГц представляет собой электронную непрерывно следящую систему, поддерживающую колебания с доплеровской частотой и измеряющую ее цифровыми частотомерами (ЛДИС). Система дискретного счета за время действия пакета импульсов осуществляет их подсчет, может позволить суммирование и усреднение данных за несколько единичных измерений (до 1000). Известные системы дискретного счета работают на частотах до 200 МГц, что обеспечивает их применение для измерений высокоскоростных потоков при скоростях V = (400--500) м/с. Пространственное разряжение также зависит от скорости потока и ориентировочно может иметь значение (0,1--0,2) мм. Погрешность ЛДИС может быть оценена величиной д = (0,5--1,0)%. Разновидностью лазерных измерительных устройств для определения скорости потока является схема, основанная на двухфокусном времяпролетном методе. Преимущество этой схемы в том, что в данном случае на фотоумножителе от лазерных лучей получается сигнал достаточно высокого уровня. Такая система более помехоустойчива, но ее разрешающая способность менее высокая, и это дает худшие результаты при исследовании высокотурбулентных потоков.

Измерение частоты вращения

Для измерения частоты вращения валов ТВД и ТНД используется комплекс тахометрических преобразователей с сигнализаторами “Турбина”. Он выдает аналоговые сигналы постоянного тока 0-5 мА, пропорциональные частоте вращения валов, и формирует двоичные сигналы для использования в системе защиты и управления газоперекачивающего агрегата (ГПА).

Комплекс защиты состоит из первичных тахометрических преобразователей, блока наблюдения и управления, измерительного прибора М1731, отградуированного в оборотах в минуту. В состав блока наблюдения и управления входят измерительные тахометрические преобразователи, сигнализаторы с фиксированными уставками и сигнализатор остановки.

Первичный тахометрический преобразователь работает совместно с зубчатым колесом, установленным на валу. Принцип действия первичного преобразователя - магнитоиндукционный, основан на индуцировании ЭДС на выводах катушек при изменении магнитного потока в результате изменения зазора между торцами магнитопровода и зубчатым индуктором при вращении последнего. При прохождении зуба зубчатого колеса над полюсами первичного тахометрического преобразователя на блок выходных трансформаторов поступают импульсные сигналы, которые трансформируются на выходы соответствующих узлов. Преобразователь измерительный преобразует входной импульсный сигнал в аналоговый постоянного тока от 0 до 5 мА, который затем подается на измерительный прибор.

Работа сигнализаторов с фиксированными уставками и сигнализатора остановки основана на сравнении частоты сигналов первичных преобразователей с частотой сигналов опорного генератора (генератора уставок).

Регистрация колебаний лопаток

Регистрация колебаний лопаток, измерение деформаций и усилий в деталях и узлах - важная самостоятельная область техники, имеющая прямое отношение к прочностным исследованиям. Основная масса статических и динамических измерений осуществляется путем тензометрирования, а также с помощью новейших методов, связанных с лазерной техникой (например, лазерная интерферометрия для изучения деформации лопаток и других элементов). Лазерные виброметры внедряются как образцовые установки для прецизионных измерений перемещений.

Электронно-лучевая регистрирующая аппаратура (ЭЛУРА) является бесконтактной системой для регистрации колебаний лопаток компрессоров или других лопастных машин. При вращении ротора в преобразователях генерируются импульсы в моменты, когда перед соответствующим преобразователем проходит конец или основание рабочей лопатки. ЭЛУРА позволяет не только выявить колебательные режимы и измерить максимальные смещения, но и определить характер колебаний (срывной, резонансный, автоколебательный). Эта аппаратура определяет колебания лопаток в том месте, где установлен преобразователь, ЭЛУРА обычно используется для выявления колебаний лопаток, которые имеют максимальные смещения. Для регистрации колебаний по более высоким формам ее применение затруднено.

метрологическое испытание измерение газотурбинный двигатель

Методы измерения крутящего момента

Рис. 9 Классификационная схема методов измерения крутящего момента

Измерение крутящего момента производится при испытании турбовинтовых двигателей. Наибольшее распростраяение получили три метода измерения крутящего момента (рис. 9):с балансирным электродвигателем, с гидротормозом и торсионный.

Для испытания компрессоров и редукторов часто применяется схема с балансирным двигателем, который состоит из стопора с опорным рычагом и якоря, установленного на валу. Его особенностью и отличием от обычных электродвигателей является то, что статор имеет возможность передавать воспринимаемый крутящий момент в виде усилия F на неподвижную опору, где закреплен преобразователь усилия F. Электродвигатель обычно через вал соединяется с приводимым им во вращение испытуемым компрессором. Поэтому крутящий момент М_кр с учетом трения N_Tp будет равен балансирному моменту М_б , приложенному к статору:

В результате крутящий момент М_кр при известной длине рычага L будет определяться по усилию F, воспринимаемому преобразователем. Применяется также гидротормозной метод измерения крутящего момента. Следует отметить, что одновременные измерения момента и частоты вращения дают возможность определить мощность. Недостатком гидротормозных систем является их неустойчивая, работа при низкой частоте вращения. На рабочих режимах работы погрешность измерения составляет 0,5 %.

Наиболее перспективен метод измерения угла закрутки торсионного упругого элемента, установленного между приводом (источником энергии) и нагрузкой. Существует несколько методов измерения угла закрутки вала или выделенного торсионного элемента. Известны средства измерения крутящего момента тензометрического типа, измеряющие угол закрутки по деформациям упругого элемента. Основная трудность в осуществлении этого способа - необходимость съема информации в виде электрических сигналов с вращающихся элементов, для чего требуется устанавливать дополнительный контактный или трансформаторный токосъемник.

При использовании бесконтактных фотоэлектрических или магнитных преобразователей, чтобы измерить угол закрутки, устанавливают измерительные элементы - два преобразователя положения на неподвижном основании вблизи торсионного элемента.

В современных цифровых приборах для измерения крутящего момента предусматривается возможность усреднения показаний за несколько оборотов вала. Это позволяет улучшить точность измерения до величины погрешности 0,1%. Преимуществом торсионных приборов является малая инертность и возможность использования при эксплуатации различных объектов.

Бесконтактные методы измерений

Бесконтактные методы измерений (табл. 2) все шире внедряются в практику экспериментальных исследований и имеют перспективу дальнейшего развития. Эти методы позволяют осуществить измерения без искажения исследуемого пространства, визуализировать различные течения с получением количественных данных.

Обобщая рассматриваемый материал по измерению параметров на вращающихся частях двигателя с помощью бесконтактных методов измерения, можно отметить высокую эффективность и информативность этих устройств. Однако применение этих средств ограничено возможностями прямого прохождения светового луча или измеряемой поверхностью.

Иными словами, при проведении исследований некоторых элементов бывает необходимо проводить измерения в труднодоступных местах, при повышенных температурах, при высоком уровне вибрации и т. д. Поэтому до сих пор сохранились в практике проведения испытаний специальные токосъемные устройства для передачи электрических сил с вращающихся элементов к неподвижным вторичным приборам.

Таблица 2

Измеряемый параметр	Метод измерения	Техническая характеристика (диапазон и погрешность ?)
1	2	3
Радиальный зазор	Оптический Оптико-телевизионный Лазерный Электрический (емкостной, индуктивный)	О...5 мм (диапазон) ?= ± 0,05 мм
Температура	Оптическая пирометрия Спектроскопия комбинационного рассеяния Ультразвуковой	700... 1200? С ? = 5 ...10? С 700... 3000? С ? = 5% 0... 1600°С ? = 5%
Дисперсность распыла топлива	Рассеяние лазерного излучения	0,005...0,2 мм ?=5%
Скорость потока	Лазерный доплеровский (ЛДИС)	от 1 мм/с до 1000 мм/с f?10кГц, ?= 0,3 ...0,4%
Вибрации и перемещения	Электрический (ЭЛУРА) Лазерный	О…5 мм, ? = 0,05 мм 0 ... 10мм, ? = 0,0001 мм
Визуализация полей давлений, температур, деформаций	Лазерная интерферометрия, тепловидение, флуоресценция

АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

В процессе испытаний газотурбинных двигателей используется большой арсенал различных по назначению и принципу действия автоматических и регистрирующих приборов . Часть из них используется в качестве самостоятельных автономных приборов для хранения и записи информации в аналоговой или цифровой форме. Другие же регистраторы являются составными элементами больших или автоматизированных систем сбора и обработки информации. Эти приборы либо служат для промежуточного накопления информации, либо действуют как выходные устройства для отображения выходных результирующих данных. Последние, как правило, являются частью вычислительных машин.

К аналоговым регистрирующим приборам относятся:

1)светолучевые осциллографы;

2)электронные осциллографы;

3)автоматические мосты и потенциометры;

4)координатные самописцы;

5)аналоговые магнитографы.

К дискретным цифровым запоминающим и регистрирующим устройствам, часто универсальным, способным накапливать и отображать графическую и цифровую информацию одновременно, можно отнести:

1)магнитные кодовые регистраторы на магнитной ленте, дисках, картах;

2)перфорационные устройства;

3)алфавитно-цифровые печатающие устройства;

4)электронно-лучевые воспроизводящие устройства типа дисплей.

Промышленностью выпускаются различные автоматизированные устройства, сочетающие в себе измерительный прибор, коммутатор измерительных каналов и регистратор. Такие устройства позволяют централизовать многоточечные измерения и регистрировать на едином носителе большое число измеряемых величин. Для исследования динамических процессов применяют различного рода анализаторы спектров, измерители частотных характеристик, корреляторы. Это достаточно сложные приборы. Некоторые из них, например, анализаторы в реальном масштабе времени, имеют в своем составе блоки памяти, процессор, дисплей и по существу являются специализированной вычислительной машиной. Технические данные некоторых основных аналоговых регистрирующих приборов, выпускаемых отечественной промышленностью, представлены в табл. 3:

В автоматических потенциометрах используется компенсационный метод измерения электрического напряжения. Эти приборы широко применяются для измерения малых напряжений постоянного тока, например, ЭДС термоэлектрических преобразователей (термопар). Для точной работы автопотенцнометра напряжение, питающее потенциометр, и сам потенциометр должны быть стабильными. Для этого принимаются специальные меры. Обычно класс точности имеет оценку 0,5. Быстродействие оценивается временем пробега шкалы пишущим элементом из крайне левого состояния в крайне правое. Выпускаются приборы со временем пробега шкалы 1; 2,5; 8 с.

Таблица 3

А. Для измерения постоянных и медленноменяющихся величин
Наименование прибора	Тип	Диапазон измерений, мВ	Время пробега шкалы, с	Погрешность, %
Автоматический потенциометр	ЭПП-09 КСП-4	0--10 0--050 0--1 0--45	2,5 8 1 2,5	0,5 0,5 0,5 0,5
Автоматический мост	ксм	Под медный термотетр	1; 2,5	0,5
Координатный самописец	ПДС-021 ЛКС пкл	0--5 0--350 В 1--100	1,4; 1 1 1	0,5 0,5 0,5
Б. Для измерений быстропеременных величин
Наименование прибора	Тип	Диапазон измерений	Диапазон частот	Погрешность, %
Электромеханические (шлейфовые) осциллографы	Н-115 ультрафиолет	12 шлейфов	От 40 до 1000 Гц	± 0,5
Светолучевые	К-20	20 шлейфов	До 20000 Гц	± 0,5
Электронные	С1-65 С1-68 С1-72	1,6 мм/мВ 50 дел/В	(0--35) МГц От 20 Гц до 2 МГц	5 ± 10

Автоматические мосты по принципу действия мало чем отличаются от автопотенциометров. Различие будет в измерительной схеме, ее питании и в градуировке шкалы. Автоматические мосты предназначены для работы с термометрами сопротивления, включаемыми в одно из плеч автоматически уравновешенной мостовой схемы. Координатные самописцы позволяют записывать одну измеряемую величину в функции другой, т.е. У = f(X) . Поэтому их иногда называют ХУ-регистраторами. Принцип действия координатных самописцев сходен с работой автопотенциометра. В них имеются две следящие уравновешивающие системы (по осям X и У), действующие независимо друг от друга. Обычно бумага остается неподвижной, а перо вычерчивает нужную зависимость. Графопостроители для вычислительных машин являются более сложными приборами, которые управляются цифровой ЭВМ. Некоторые графопостроители одновременно могут регистрировать цифровую информацию.

Автоматические мосты и потенциометры являются медленнодействующими приборами, способными регистрировать процессы с частотой в доли герца. Более быстродействующими являются шлейфовые осциллографы, производящие запись на фотобумаге световым лучом. С их помощью возможна запись частот от 10 до 20 кГц. Однако их точность записи относительно невысока - 5 %.

Для наблюдения высоких частот используют электронные осциллографы. Фотографирование экрана дает возможность зарегистрировать процесс. Существуют электронные осциллографы с запоминающими электронно-лучевыми трубками, сохраняющими изображение процесса достаточно долго. Но это бывает удобно в случае кратковременного процесса, длительный же процесс таким образом регистрировать неудобно и практически невозможно.

В последние годы для записи измерительной информации широко применялись многоканальные магнитографы, позволяющие запоминать и затем воспроизводить информацию в широком диапазоне частот, причем емкость такого запоминающего устройства может быть чрезвычайно велика. Для записи динамических процессов, начиная с очень малых частот, применяется частотная модуляция, хотя непосредственная запись дает возможность расширить частотный диапазон до значений порядка 1 МГц.

При ЧМ-записи диапазон регистрируемых частот простирается от 0 до 40 кГц, а при НЗ-записи верхний предел обычно составляет 150--300 кГц. Для записи измерительной информации могут быть использованы также кодовые магнитофоны, снабженные аналого-цифровыми преобразователями на входе. Следует отметить, что магнитограф -- очень гибкий и удобный прибор, позволяющий в процессе обработки информации осуществлять редукцию частот путем выбора соответствующих скоростей записи и воспроизведения - например, произвести запись на большой скорости, а воспроизведение - на малой.

ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Повышение ресурса и надежности газотурбинных двигателей -- одна из важных задач, которая решается на всех этапах создания производства и эксплуатации двигателей. Комплексное решение этой задачи является гарантией безопасности эксплуатации газоперекачивающих аппаратов с одновременным обеспечением их высокой экономичности.

Важной составной частью проблемы ресурса и надежности является техническая диагностика со всем арсеналом приборов и технических средств, необходимых для контроля и эксплуатации двигателей. Эффективность применения этих приборов закладывается еще на стадии проектирования двигателей, когда реализуются требования, обеспечивающие возможность контроля всех основных высоконапряженных элементов. Причем может быть предусмотрен встроенный контроль, когда данный элемент или узел двигателя может быть проконтролирован в любой момент времени. Эксплуатация двигателя по фактическому состоянию взамен устаревшей системы эксплуатации по назначенному ресурсу дает возможность наращивать ресурс по мере эксплуатации и тем самым повышать эффективность использования двигателей.

Внедрение системы эксплуатации по состоянию основывается на:

1)высокой контролепригодности двигателей;

2)широкой номенклатуре контрольно-диагностических приборов;

3)надежности службы контроля и диагностики.

Техническая диагностика состояния газотурбинных двигателей осуществляется путем контроля наиболее нагруженных элементов двигателя с помощью специальных приборов неразрушающего контроля, а также на основе анализа текущих значений газодинамических параметров двигателя, таких как расход топлива G, частота вращения n, температуры газов Т и др.

С помощью приборов технической диагностики и неразрушающего контроля удается выявить различные дефекты в конструктивных элементах конструкции двигателя: трещины в лопатках и дисках, прогары в камерах сгорания, забоины, повреждения в подшипниках и пр.

Наиболее распространенными диагностическими приборами являются:

1)Оптические средства контроля (эндоскопы, бороскопы).

2)Вихретоковые дефектоскопы.

3)Ультразвуковые дефектоскопы.

4)Рентгено-радиационные приборы и установки.

5)Приборы контроля металлосодержания в смазочном масле.

Эндоскопические приборы

Широкое распространение получили оптические средства контроля, используемые для визуального осмотра внутренних частей двигателя. По конструктивному выполнению различают жесткие и гибкие смотровые приборы. Жесткие эндоскопы представляют собой перископическую трубку, вводимую внутрь двигателя через смотровые лючки или уже имеющиеся другие отверстия. Изменяя глубину погружения и поворачивая эндоскоп, можно осматривать и находить повреждения деталей. Обычно в жестких эндоскопах используют жесткую оптику. В гибких эндоскопах используют гибкие световоды, по которым передается изображение и световой поток для освещения наблюдаемой поверхности. Гибкие эндоскопы обладают большими возможностями проникновения в труднодоступные части двигателя, ими часто пользуются для осмотра со стороны входа и выхода двигателя. Управление изгибом головной (дистальной) части эндоскопа в одной или даже в двух плоскостях расширяет возможности этого типа приборов. Для фиксации и документации повреждений эндоскопы могут комплектоваться фото- и телевизионными камерами.

Вихретоковая дефектоскопия

Для обнаружения малых дефектов на поверхности деталей применяется вихретоковый метод, иногда называемый электромагнитным. Этот метод позволяет выявлять нарушения сплошности, трещины с глубиной залегания 0,1--0,5 мм и с минимальным раскрытием порядка нескольких микрометров.

Минимальный размер обнаруживаемых дефектов 1--2 мкм.

Вихретоковый метод контроля основан на регистрации изменений полного электрического сопротивления или напряжения зонда под воздействием вихревых токов, наводимых катушкой зонда в электропроводящем поверхностном слое объекта.

Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет обнаруживать дефекты, залегающие в толще металла, определять глубину их залегания, а наиболее совершенные сканирующие приборы дают возможность определять размеры и даже контур дефекта. Для зондирования используют пьезоэлектрические излучатели, работающие в диапазоне ультразвуковых и звуковых частот от 50 Гц до 50 МГц. Наиболее распространенным методом ультразвуковой дна- гностики является эхо-метод, когда излучаемый искателем короткий ультразвуковой сигнал посылается в объект контроля, отражаясь от дефектов и других неоднородностей, а затем принимается тем же или другим искателем. Используя электронно-лучевую трубку с временной разверткой, можно регистрировать посланные и отраженные импульсы и одновременно по их местоположению на развертке фиксировать время прихода отраженных сигналов и различать импульсы, соответствующие дефектам и противоположной поверхности объекта.

Виброакустическая диагностика

Повышение уровня вибрации и шума, а также изменение их спектрального состава могут стать следствием нарушения нормальной работы двигателя. Такие явления, как помпаж или вибрационные горения, обычно обнаруживают даже на слух. Современные приборы виброакустической диагностики дают возможность выявлять дефекты и нежелательные процессы в двигателе на ранней стадии их возникновения. Причиной повышения уровня вибрации могут быть также износ деталей газовоздушного тракта, износ и разрушение подшипников, трансмиссий, повреждения валов и прочее.

Основными элементами виброакустической системы диагностики являются:

1)датчики вибрации и шума;

2)усилители и фильтры;

3)сигнализаторы и индикаторы;

4)анализаторы спектра и корреляторы;

5)магнитные регистраторы.

В датчиках вибрации используется сейсмическая масса, подвешенная на пружине и снабженная демпфером. Колебание этой массы при наличии вибраций воспринимается преобразователем, создающим электрический сигнал. В зависимости от выбора параметров колебательной системы и типа электрического преобразователя датчик будет измерять перемещение, виброскорость или виброускорение. Применяются пьезоэлектрические, электромагнитные индукционные преобразователи, индуктивные и тензометрические (см. схему преобразователей давления рис. 7).

Устанавливаемые на двигателях штатные датчики вибраций не всегда удовлетворяют требованиям их применения в целях диагностики из-за недостаточной чувствительности, динамического диапазона и частотных характеристик. Большое значение имеет место установки датчиков. В ряде случаев необходимы датчики, устанавливаемые в непосредственной близости от работающих частей при повышенной температуре (400--700°С).

Диагностика состояния ГТД по уровню вибраций применяется в большинстве штатных систем измерения. Обычно сигнал о превышении, уровня вибрации свыше установленного предельного значения подается посредством загорания соответствующей лампочки. Выбор необходимой частоты настройки осуществляется с помощью фильтров. Однако система диагностирования по среднему уровню вибрации недостаточно эффективна, так как она не обнаруживает ряда характерных явлений, связанных с изменением спектра колебаний на различных режимах работы двигателя. Изменение работы двигателя сопровождается изменением частоты вращения ротора и составляющих спектра, близких к роторной частоте или кратных ей. Появление дефектов на вращающихся частях двигателя (лопатках, дисках и др.) обычно приводит к изменению именно этих составляющих. Использование фильтров с жесткой настройкой при наличии значительной частоты по уровню роторной составляющей частот не позволяет решать задачу выделения характерных диагностических сигналов. Разработка следящих фильтров, перестраиваемых в зависимости от частоты вращения, дает возможность эффективно выделять сигналы в области роторных или кратных ей частот. Следует сказать об анализирующей аппаратуре. Поскольку вибрационные и шумовые процессы являются случайными или стационарными, к их анализу надо подходить как к анализу случайных процессов и оперировать с корреляционными функциями, функциями спектральной плотности мощности.

Рентгено-радиационный контроль

Просвечивание изделий с помощью рентгеновской аппаратуры и других источников ионизирующих излучений (ускорителей, радиоизотопов) позволяет осуществлять неразрушающий контроль изделий. Различают радиоскопический, радиографический и радиометрический методы использования радиационного излучения, которые позволяют соответственно наблюдать контролируемый объект на пленке или бумаге, преобразовывать характерное излучение в электрические сигналы.

Установка радиационного контроля состоит из трех основных частей:

1) источника ионизирующего излучения;

2) объекта контроля;

3) детектора излучения.

Тип применяемой аппаратуры определяется специфическими требованиями объекта контроля, его размерами, возможностью доступа к контролируемым элементам, соображениями техники безопасности.

Контроль металлосодержания в масле

По мере износа трущихся поверхностей деталей ГТД в смазочном масле накапливаются металлосодержащие частицы; их концентрация и вид могут служить одним из важных диагностических признаков. Систематический контроль металлосодержания в масле является одним из необходимых мероприятий при эксплуатации двигателя. Периодически производится отбор проб масла с фильтров, магнитных пробок и на магистрали слива для анализа. Разрабатываются критерии и методики диагностирования и прогнозирования повреждений на основе анализа металлосодержания частиц.

Вопросы нормирования допустимого металлосодержания являются достаточно сложными, так как необходимо учитывать ряд факторов: интенсивный износ трущихся поверхностей в процессе приработки, изменение концентрации металлочастиц при замене масла, влияние воды и топлива, попадающих в маслосистему и прочее.

Электронный сигнализатор с индукционным датчиком реагирует на отдельные частицы размером от 0,5 мм и выше, создавая на выходе электрический сигнал, зажигающий электрическую лампочку и вызывающий срабатывание счетчика частиц. Датчик представляет собой катушку индуктивности, помещенную на изоляционной вставке в масловоде. Катушка индуктивности включена в колебательный контур генератора. При появлении металлической частицы внутри катушки уменьшаются потери в колебательном контуре и амплитуда колебаний генератора скачкообразно возрастает. В результате создается высокочастотный импульс, который детектируется и усиливается и далее подается к сигнальным выходным элементам.

4. ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ

Общие положения

Настоящая программа содержит объем и методы проведения испытаний двигателей НК-16СТ и НК-16-18СТ установленных в ГПА-Ц-16.

Настоящая программа предназначена для определения номинальной располагаемой мощности, эффективного КПД двигателей НК-16СТ и НК-16-18СТ в станционных условиях.

Настоящая программа применима для проведения эксплуатационных и периодических испытаний ГПА-Ц-16 с приводами НК-16СТ и НК-16-18СТ в условиях КС.

Испытания проводятся эксплуатационным персоналом компрессорной станции.

Настоящая программа разработана в соответствии с требованиями:

ГОСТ 20440-75. Агрегаты газотурбинные. Методы испытания;

ГОСТ 28775-90 Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия.

Операции с ГПА (подготовка к пуску, пуск работа и пр.) производятся в соответствии с заводской документацией по эксплуатации и техническому обслуживанию.

По результатам испытаний эксплуатирующей организацией составляется акт.

Термины и определения

В программе испытаний используются следующие термины и определения:

станционные условия по ГОСТ 28775: Условия, при которых определяются параметры номинального режима ГТУ (ГПА), рассчитанные для температуры, давления, относительной влажности атмосферного воздуха, соответственно, +15 ⁰С, 0,1013 МПа, 60 % с учетом гидравлических сопротивлений входного и выходного трактов при отсутствии утилизационного теплообменника.

номинальная мощность ГТУ (ГПА) в станционных условиях: Мощность на муфте ГТУ в станционных условиях по 2.1 без отбора сжатого воздуха на противо-обледенительную систему и на внешние станционные нужды, с учетом гидравлических сопротивлений входного и выходного трактов, без утилизационного теплообменника.

номинальный КПД ГТУ в станционных условиях: Коэффициент полезного действия, рассчитанный в соответствии с ГОСТ 20440-75 (ISO 2314) для условий по 2.1.

теплота сгорания топлива: Общее количество тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива.

объемная производительность ЦБН: Объемный расход газа в сечении входного патрубка ЦБН при входных параметрах.

степень повышения давления: отношение абсолютных давлений, измеренных в сечениях входного и выходного патрубков (фланцев).

политропный КПД ЦБН: Отношение удельной полезной политропной работы (политропного напора) к разности энтальпий (удельному полному напору), определяемым по параметрам газа, измеренным в сечениях входного и выходного патрубков (фланцев).

приведенные параметры ГТУ: параметры, приведенные к спецификационным (или нормальным) условиям методами термодинамического подобия по ГОСТ 20440-75.

Настоящая программа разработана на основе «Методических измерений по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов».

Объем испытаний

Проверка соответствия основных теплотехнических показателей двигателей НК-16СТ и НК-16-18СТ (мощности и эффективного КПД) техническим условиям.

Проверка вибрационных характеристик ГТУ.

Определение выбросов вредных веществ.

Подготовка к испытаниям

Перед испытаниями должны быть полностью завершены пуско-наладочные работы и схема работы ГТУ должна полностью соответствовать принятой для нормальной эксплуатации. Перед испытаниями нужно выполнить следующие работы:

Протарировать входное сужающее устройство (конфузор) ЦБН для определения коэффициентов расхода - в случае определения мощности по параметрам нагнетателя («от нагрузки»). Коэффициент расхода конфузора ЦБН определяется в соответствии с «Инструкцией по тарировке входных устройств центробежных нагнетателей (компрессоров) на компрессорных станциях» из равенства расходов газа измеренного ультразвуковым расходомером с накладными датчиками и конфузор ЦБН или определяется по расходу технологического газа через газо-измерительную станцию (ГИС). Тарировка конфузора ЦБН проводится один раз, в дальнейшем значения расходного коэффициента используются при последующих испытаниях этого ГПА.

Выполнить проверку, монтаж и наладку дополнительных измерительных приборов и оснастки. Монтаж производится в соответствии со схемой (Приложение Б, рис. Б.1) и списком (Приложение А, таблица А.1). Проверка средств измерений проводится по существующей нормативной документации на методы и средства измерений. Измерительные приборы должны пройти поверку в соответствии с нормативной документацией и иметь соответствующие документы, копии которых прикладываются к техническому акту.

В случае использования измерителя крутящего момента его проверка, монтаж и наладка производится в соответствии с инструкцией завода-изготовителя по отдельной программе.

Провести ревизию сужающего устройства на линии подачи топливного газа в турбоагрегат.

Примечание: Необходимо обеспечить точность замера расхода топливного газа 2%.

Закрыть отбор воздуха после ОК на собственные нужды цеха.

Провести осмотр проточной части НД и ВД ОК, КС, ТВД, ТНД и СТ с использованием смотровых лючков установленных в корпусе двигателя. Предусмотреть проведение очистки проточной части ОК непосредственно перед испытаниями.

При установке теплоутилизатора установить заслонки в положение, обеспечивающее наименьше сопротивление на выходе.

По результатам проведенной подготовки к испытаниям составляется акт о готовности ГТУ к испытаниям с указанием в полном объеме выполненных подготовительных мероприятий. Копия акта прикладывается к техническому акту об испытаниях.

Проведение испытаний

Непосредственно перед испытаниями, при необходимости, проводится очистка газо-воздушного тракта двигателя.

Испытания проводятся при закрытых отборах воздуха от ГТУ.

Испытание проводятся на 5ч6 режимах работы ГТУ в диапазоне от 80%-й нагрузки до максимально возможной в диапазонах частоты вращения ротора НД для двигателя НК-16СТ 5270⁺⁵⁰ об/мин, для двигателя НК-16-18СТ 5370 ⁺⁵⁰ об/мин.

Режимы устанавливаются от меньшей нагрузки к большей нагрузке или наоборот.

Время выдержки ГПА до стабилизации режима должно составлять не менее 1 часа. Стабилизация считается достигнутой, если температура перекачиваемого газа на входе в нагнетателя и на выходе из нагнетателя не изменяется более 0,1 в течение 10 минут.

На каждом режиме после стабилизации параметров, измеряемые величины в объеме списка таблицы А.1 в течение 20 минут дважды фиксируются наблюдателями на бланках наблюдений.

На каждом режиме производится замер состава продуктов сгорания. Замер состава продуктов сгорания проводится в соответствии с действующей нормативной документацией.

Состав перекачиваемого и топливного газа берется по данным диспетчерской службы на момент испытаний.

Методика расчета показателей ГПА

Расчет показателей центробежного нагнетателя (ЦБН).

Показатели и характеристики ЦБН определяются по статическим параметрам перекачиваемого газа (давлению и температуре), измеренным в сечениях входного и выходного фланцев (патрубков).

Массовый расход газа в нагнетателе G_н определяют по следующей формуле, кг/сек.

G_н = (1)

где ДР_к - разность (перепад) давлений на конфузоре, кг/м²;

с_1н - плотность газа на входе в нагнетатель, кг/м³;

А - размерный коэффициент расхода, м^2,5/мин.

Коэффициент расхода А определяется по результатам индивидуальной тарировки конфузора.

Объемный расход газа на входе в нагнетатель Q_1н определяют по формуле, м³/мин

Q_1н = (2)

Плотность газа на входе в нагнетатель с_1н определяют по формуле, кг/м³

с_1н = (3)

где Р_1н - давление газа на входе в нагнетатель, МПа;

Т_1н - температура газа на входе в нагнетатель, К;

Z_1н - коэффициент сжимаемости газа на входе в нагнетатель;

R - газовая постоянная, кДж/кг•К.

Газовая постоянная определяется по следующей формуле, кДж/кг•К

R = (4)

где Дв - относительная плотность газа по воздуху.

Относительная плотность газа по воздуху определяется по формуле:

Дв = (5)

где с₀ - плотность газа в стандартных условиях (Т = 293,15 К, Р = 0,1013 МПа).

Плотность газа с₀ - принимается по диспетчерским данным на момент проведения испытаний.

Коэффициент сжимаемости Z рассчитывается по формуле:

Z = 1-[10,2•Р-6)•(0,345•10^-2•Дв-0,446•10^-3)+0,015] [1,3-0,0144•(Т-283,2)] (6)

где Р - давление газа, МПа;

Т - температура газа, К.

Внутренняя мощность нагнетателя N_i определяется по формуле, кВт

N_i = (7)

где - показатель псевдоизоэнтропы;

Т_1н - температура газа на входе в нагнетатель, К;

Т_2н - температура газа на выходе из нагнетателя, К;

Z_cр - средний коэффициент сжимаемости газа в нагнетателе;

Z_1н - коэффициент сжимаемости по параметрам газа на входе в нагнетатель;

Z_2н - коэффициент сжимаемости по параметрам газа на выходе из нагнетателя.

Коэффициент псевдоизоэнтропы вычисляют по формуле:

(8)

где Т_ср = - средняя температура газа по входу и выходу нагнетателя, К;

m_t - температурный показатель полинтропы.

Температурный показатель полинтропы определяется по формуле:

m_t = (9)

Политропный КПД нагнетателя определяют по формуле:

з_{п =} (10)

При обработке результатов испытаний используют следующие показатели:

- приведенный объемный расход газа на входе Q_1н:

Q_1н = Q_1н (11)

где n_н= n_н - частота вращения ротора нагнетателя соответственно номинальная и фактическая, об/мин;

- приведенный политропный КПД:

з_п= з_п (12)

Расчет показателей газотурбинной установки

Мощность на муфте «ГТУ - нагнетатель» определяется по следующей формуле, кВт

N_e = N_i + ДN_м (13)

Механические потери нагнетателя вычисляют по формуле, кВт

ДN_м = 0,03 N_i (14)

Расход топливного газа q_тг определяют по измеренным параметрам газа на агрегатном замерном узле по действующей нормативной документации, м³/ч (при Т = 293,15 К, Р = 0,1013 МПа).

Эффективный КПД ГТУ определяют по формуле:

з_е = (15)

где N_e - мощность ГТУ, кВт;

q_тг - расход топливного газа в стандартных условиях, м³/ч;

Q - низшая теплота сгорания топливного газа, ккал/м³.

Низшая теплота сгорания принимается по диспетчерским данным на момент испытаний или рассчитывается по его компонентному составу.

Гидравлические потери полного давления на входе в двигатель определяют по следующей формуле, мм. вод. ст.:

(16)

где ? Р_{3 ст.} - перепад давления во всаскамере ВОУ ГПА, мм. вод. ст.

n _нд - частота вращения ротора НД, об/мин.

Приведение параметров ГТУ проводится по следующим формулам:

- приведенная мощность, кВт

N_e= N_e• (17)

– приведенный КПД

з_е= з_е (17)

- приведенная частота вращения ротора низкого давления , об/мин.

n_нд = n_нд (18)

- приведенный расход топливного газа

q_тг= q_тг• (19)

где Р_а - барометрическое давление воздуха, МПа;

Т_з - температура воздуха на входе ГТУ, К;

Q= 8100 ккал/м³ - приведенная низшая теплота сгорания топливного газа;

Q - фактическая низшая теплота сгорания топливного газа, ккал/м³ (6.2.4).

Обработка и анализ полученных результатов

Техническое состояние ГТУ

На основании результатов обработки экспериментальных данных строятся следующие теплотехнические характеристики ГТУ в зависимости от приведенной мощности

· приведенной частоте вращения ротора НД, n_нд;

· эффективный КПД, з_е;

· приведенный расход топливного газа, q_тг

При необходимости проводится экстраполяция графиков до номинального значения мощности.

Определяют (из ИЭ, формуляра газогенератора, уставок автоматики) предельные рабочие обороты ротора НД ограничивающую загрузку агрегата.

По графику зависимости N_е= f(n_нд) по предельной частоте вращения ротора НД газогенератора определяют величину эксплуатационной номинальной мощности N.

По графику зависимости з_е = f(N_е) по величине эксплуатационной номинальной мощности (N) в станционных условиях определяют значение эксплуатационного номинального КПД з в станционных условиях.

По графику зависимости q = f(N_е) по номинальной величине мощности N в станционных условиях определяют величину эксплуатационного номинального расхода топливного газа q.

Коэффициенты технического состояния ГТУ.

Коэффициент технического состояния по мощности в станционных условиях.

Коэффициент технического состояния ГТУ по мощности К_N - отношение величины эксплуатационной номинальной мощности Nв станционных условиях (7.1.2) к ее номинальному значению (Nст.у.) в станционных условиях для двигателя НК-16СТ = 16000 КВт, для двигателя НК-16-18СТ =18000 КВт при гидравлических потерях полного давления:

а). в системе всасывания -200 мм. вод. ст.

б). в выхлопном устройстве 575 мм. вод. ст.

Коэффициент К_N определяется по формуле:

К_N = (20)

Коэффициент технического состояния по расходу топливного газа в станционных условиях.

Коэффициент технического состояния ГТУ по расходу топливного газа К_тг - отношение величины эксплуатационного номинального расхода топливного газа qв станционных условиях по (7.1.4) к его номинальному значению qв станционных условиях.

Коэффициент К_тг определяется по формуле:

К_тг = (21)

Величина номинального расхода топливного газа q_тг определяется по следующему выражению, м³/ч

q_тг= (22)

где N_е - номинальная мощность двигателя НК-16СТ и НК-16-18СТ в ГПА в станционных условиях, кВт;

з_е - номинальный эффективный КПД ГТУ в станционных условиях;

для двигателя НК-16СТ з_е = 0,27

для двигателя НК-16-18СТ з_е = 0,29

Q= 8100 - приведенная низшая теплота сгорания топливного газа, ккал/м³.

Техническое состояние нагнетателя.

На паспортной (по ТУ) характеристике нагнетателя строится экспериментальная зависимость политропного КПД от приведенного объемного расхода газа на входе в нагнетатель.

При необходимости проводится экстраполяция полученной зависимости до расхода, соответствующего номинальному значению КПД.

По экспериментальной зависимости по номинальному значению объемного расхода определяют эксплуатационный КПД нагнетателя з.

Коэффициент технического состояния нагнетателя.

Коэффициент технического состояния нагнетателя К_п - отношение эксплуатационного номинального КПД з к номинальному (паспортному) значению з при номинальном объемном расходе газа на входе в нагнетатель.

Коэффициент К_п определяется по формуле:

К_п = (23)

На практике имеет место затруднение аппроксимации полученных характеристик нагнетателя до величины номинального объемного расхода: варианты работы нагнетателя в крайних правых или левых зонах характеристик.

В этих случаях допускается определять коэффициент технического состояния нагнетателя при фактических эксплуатационных объемных расходах (Q_1н= const) при условии з_п 0,7.

В случае использования измерителя крутящего момента, мощность определяется в соответствии с документацией производителя данного средства измерения.

Характеристики ГПА приводятся к станционным условиям (т.е. условиям при температуре наружного воздуха 15С и давления 0,1013 МПа, при фактическом сопротивлении на входе и выходе ГПА, а затем к условиям, указанным в ТУ (нормальным условиям в соответствии с ГОСТ 20440-75) вводом соответствующих поправок (Приложение Г, пп.7.9ч7.21):

- на полные гидравлические сопротивления на всасе компрессора двигателя на выходе из силовой турбины

- обороты НД;

Коэффициенты влияния, определяющие поправки представлены в приложении Д.

При обеспечении требуемых погрешностей измерений относительная погрешность определения мощности и кпд ГТУ составляет 4%.

Оформление документации

Результаты теплотехнических измерений заносятся в бланк исходных данных (Приложение В, таблица В.1).

По результатам измерений в соответствии с алгоритмом (Приложение Г, таблица Г.1) проводится расчет характеристик ГТУ.

По результатам расчета строятся графики зависимостей следующих характеристик ГТУ в зависимости от мощности, приведенных к условиям ТУ:

- температура продуктов сгорания перед СТ t₂^пр(ТУ) (Приложение Г, рис. Г.1);

- приведенная частота вращения ротора НД n_нд^пр(ТУ) (Приложение Г, рис. Г.2);

- эффективный КПД ГТУ в станционных условиях (Приложение Г, рис. Г.4).

Показатели ГТУ считаются соответствующими техническим условиям, если мощность ГТУ Ne^пр(ТУ) с учетом снижения мощности двигателя в процессе эксплуатации в течение межремонтного периода (- 5%) относительных составляет

-для двигателя НК-16СТ не менее 15200 кВт;

- для двигателя НК-16-18СТ не менее 17100 кВт;

, а эффективный КПД в станционных условиях с учетом снижения эффективного КПД двигателя в процессе эксплуатации в течение межремонтного периода (- 3%) относительных

- для двигателя НК-16СТ не менее 26,4%;

- для двигателя НК-16-18СТ не мене 28,1%;

при выполнении следующих ограничений:

- температура продуктов сгорания перед СТ t₆^пр(ТУ) не превышает 630С;

- частота вращения ротора НД n_нд^(ТУ):

для двигателя НК-16СТ не более 5270 ⁺⁵⁰ об/мин.;

для двигателя НК-16-18СТ не более 5370⁺⁵⁰ об/мин.

- частоты вращения ротора СТ n_твд^пр(ТУ) не превышают 5565 об/мин.$

- абсолютное давление за осевым компрессором не более 10 кг/см².

Предварительные результаты обработки исходных данных включаются в Технический акт, составляемый на КС.

По результатам проведенных испытаний в течение двух рабочих недель выпускается технический акт с окончательными результатами испытаний и заключением по ним.

5.ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Назначение испытательных стендов

В состав испытательной станции входят: боксы, в которых устанавливаются объекты испытания и оборудование, необходимое для проведения испытаний; примыкающие к боксам вспомогательные технологические помещения, где размещены часть измерительного оборудования, кабины управления, системы обеспечения топливом, маслом, сжатым воздухом, электроэнергией и некоторые другие (например: система поглощения электроэнергии, вырабатываемой генераторами, гидросистема загрузки агрегатов и т. д.); обменный пункт; мастерские; отделение контрольно-измерительных приборов; центральное топливное хранилище; помещения технических и административно- хозяйственных служб.

Испытательную станцию располагают с подветренной относительно завода стороны, чтобы уменьшить попадание отработанных газов и ослабить действие шума.

Под испытательным стендом ГТД понимается единый комплекс средств и испытательного оборудования, предназначенный для проведения испытаний ГТД в эксплуатационных условиях.

Испытательные стенды ГТД предназначены для проверки качества, определения параметров и выходных характеристик ГТД испытаниями в эксплуатационных условиях и должны обеспечивать проведение всех видов и категорий контрольных и ресурсных испытаний, предусматриваемых общими техническими условиями (ОТУ) для серийного производства, а также после их ремонта.

Испытательные стенды ГТД, их систем и сборочных единиц (в составе ГТД) предназначены для проведения испытаний, исследований и доводки ГТД в эксплуатационных условиях и должны обеспечивать проведение исследовательских, доводочных, определительных, предварительных, межведомственных, государственных, ресурсных, специальных, чистовых, а соответствующих видов и категорий контрольных испытаний.

Типовой состав испытательного стенда

В состав испытательного стенда входят:

- испытательный бокс или открытая производственная площадка (определяется принятой схемой испытательного стенда);

- кабина наблюдения и управления;

- технологические и вспомогательные помещения;

- помещения для размещения ЭВМ и комплекта измерительной аппаратуры;

- основное оборудование испытательного стенда и систем для обеспечения испытаний.

В состав основного оборудования испытательного стенда и систем для обеспечения испытаний входят:

- пульт управления и контроля работы ГТД при испытаниях;

- необходимые средства шумоглушения работы ГТД при испытаниях;

- силоизмерительная (моментоизмерительная) система;

- система измерения расхода воздуха через ГТД;

- топливная система испытательного стенда;

- система измерения расхода топлива при испытаниях ГТД;

- масляная система испытательного стенда;

- система запуска ГТД на стенде;

- система консервации ГТД после окончания испытаний;

- система вне стендовой подготовки ГТД к испытаниям с монтажной рамой и узлами крепления ГТД;

- система питания, загрузки и охлаждения агрегатов, установленных на ГТД;

- система отбора воздуха на нужды ГПА, для которого предназначен ГТД;

- автоматизированная система управления технологическим процессом испытаний с комплектом аппаратуры для измерения и регистрации параметров и сигналов ГТД;

- газоотводящее устройство;

- устройство для имитации неравномерности поля температур на входе в двигатель и имитации давлений для определения и оценки газодинамической устойчивости испытательного ГТД;

- оборудование для проверки и калибровки, применяемых на стенде средств измерения (СИ)

- монтажно-обслужвающая площадка;

- подъемно-транспортные средства испытательного стенда;

- автоматическая система пожаротушения.

Функциональные требования, компоновка и аэродинамика испытательного стенда

Типовая схема испытательного стенда, размещение испытываемого ГДТ, основного оборудования и измерительных систем, аэродинамическая схема воздуха проводящих и газоотводящих устройств выбираются исходя из назначения стенда, особенностей конструкции, компоновки и характеристик ГТД, вида и назначения проводимых испытаний.

Для проведения стендовых испытаний современных ГТД могут создаваться испытательные стенды, где испытываемый ГТД размещается в испытательном боксе или на специально оборудованной открытой площадке.

Конструкция и эксплуатационные свойства испытательного стенда, компоновка и размещение основного оборудования должны обеспечивать:

- свободный подвод воздуха к входу в ГТД и в эжекторно-выхлопное устройство стенда и минимальное влияние аэродинамики стенда на основные параметры испытуемого ГТД;

- управление технологическим процессом испытания и измерение предусмотренных параметров и сигналов испытываемого ГТД как в автоматическом, так и в режиме с погрешностями, не превышающими допустимых значений;

- надежную работу и функционирования всех систем и оборудования испытательного стенда в соответствии с их назначением;

- свободный подход к испытываемому ГТД и оборудованию испытательного стенда для проведения необходимых технологических операций, технического обслуживания и замены агрегатов;

- возможность подогрева воздуха на входе в ГТД в соответствии с программой испытаний;

- возможность подогрева топлива и масла на входе в ГТД в соответствии с программой испытаний;

- выполнение требований ТБ, санитарных норм и защиты окружающей среды в процессе подготовки, проведения испытаний и технического обслуживания ГТД.

Испытательные стенды, выполненные по схеме с открытой площадкой для установки испытываемого ГТД, должны удовлетворять следующим требованиям, обусловленной спецификой их компоновки:

- испытательный стенд должен быть оборудован газоотводящим устройством, обеспечивающим безопасный отвод газовой струи от работающего на площадке ГТД для исключения прямого воздействия на окружающие постройки, растительность и почвенный покров, а также попадание газов на вход работающего ГТД;

- должно быть обеспечено экранирование работающего на площадке ГТД для исключения разлета обломков конструкции в случае его разрушения при испытаниях;

- размещение испытательной площадки на территории испытательной станции должно обеспечить уровень шума от работающего ГТД, не превышающий допустимых значений;

- испытательная площадка с установленным ГТД должна быть оборудована навесом и легко съемными устройствами для защиты обслуживающего персонала от ветра и атмосферных осадков при техническом обслуживании испытываемого ГТД;

- испытательная площадка должна иметь круговое ограждение для исключения случайного попадания в зону работающего ГТД людей, животных, средств транспорта и т. д.