НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.438

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

novitskiybronislav@gmail.com

Введение

Создание автономных маломощных многоцелевых энергетических установок, предназначенных для электро-, тепло- и холодоснабжения автономных потребителей является основой развития систем распределенной энергетики, позволяющей избавиться от возникающих потерь, при передаче электроэнергии на значительные расстояния, особенно в труднодоступные районы. Для решения указанной проблемы может быть использована замкнутая газотурбинная установка, работающая на органическом топливе и способная работать на различных рабочих телах. Автономные энергетические установки на базе ЗГТУ являются развитием космических энергосистем перспективы которых описаны в докладе А.И. Леонтьева и В.Л. Самсонова «Космические солнечные замкнутые газотурбинные энергодвигательные установки» на XIВсероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» Идеология автономной наземной ЗГТУ представлена в докладе «Блок турбогенератора-компрессора опытных образцов космической и наземной ЗГТЭУ Ne = 1…3 кВт» С.В. Голубевым и В.Л. Самсоновым на Х Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели». ЗГТУ содержит ряд критических узлов (центростремительная турбина, газодинамические опоры ротора, высокочастотные, высокоскоростные генераторы, высококомпактные рекуперативные теплообменные аппараты, газонагреватели и концевые охладители газа), одним из которых является центробежный компрессор. Данная работа является продолжением исследований, представленных в докладе В.С. Бекнева и А.Н. Арбекова «Расчёт, проектирование, изготовление и испытание усовершенствованной ступени центробежного компрессора блока ТГК 1-го опытного образца ЗГТЭУ Ne = 1…3 кВт, работающей на органическом топливе» представленным на конференции «Будущее машиностроения России 2009», но на другом рабочем теле, что позволяет получить полную картину характеристик колеса компрессора на всех применяемых в ЗГТУ рабочих телах. Исследование характеристик малоразмерного центробежного компрессора, работающего на смеси инертных газов с высокой молярной массой, представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой возможно при использовании соответствующего оборудования и методики.

Стенд исследований характеристик ступеней малоразмерных ЦБК

          Определение характеристик малоразмерной ступени ЦБК (рисунок 1) проводится в НИИ ЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана на модернизированном стенде, специально созданном в рамках работы [2], гидравлическая схема которого представлена на рисунке 2. Рабочее тело сжимается в ступени исследуемого ЦБК поз. 1 и подается в напорный трубопровод с электроприводной дроссельной заслонкой поз. 4, служащей для изменения гидравлического сопротивления тракта, откуда поступает в водоохлаждаемый газоохладитель поз. 5, а затем через сопло Вентури поз. 6 возвращается на всас ЦБК.

Приводом рабочего колеса компрессора служит высокооборотный электродвигатель на постоянных самарийкобольтовых магнитах разработанный и изготовленный ОАО «Аэроэлектромаш».

          Рабочее колесо ЦБК установлено роторе электропривода поз 9, к которому подводится трехфазный электрический ток переменной частоты от регулируемого статического частотного преобразователя (РСЧП) фирмы «Дельта» (Тайвань) мощностью 45 кВт поз. 10, запитываемого от трехфазной электрической сети переменного тока напряжением 380 В через автомат безопасности. Ротор вращается в двух опорных и одном упором газодинамических подшипниках.

Рис. 1. Рабочее колесо малорасходного центробежного компрессора

Охлаждение статора электродвигателя осуществляется проточной водой, которая поступает по трубопроводу через вентиль. В охладитель газа вода поступает по трубопроводу с запорно-регулирующей арматурой. Вспомогательный охладитель газа служит для отвода теплоты от газа поз 2., идущего на охлаждение подшипниковых узлов и ротора.

Рис. 2. Принципиальная схема стенда для экспериментального исследования ступени ЦБК: 1 – ступень центробежного компрессора; 2 – вспомогательный охладитель газа; 3, 7 – байпасные трубопроводы, системы охлаждения подшипников; 4 – дроссельная заслонка; 5 – концевой охладитель; 6 – сопло Вентури; 8 – жидкостная система охлаждения статора электродвигателя; 9 –электродвигатель; 10 - регулируемый статический частотный преобразователь

При определении характеристик ступени компрессора требуется контролировать большое количество данных, которые, необходимо считывать и накапливать. Для этого экспериментальный стенд оборудован системой измерений, сбора и обработки информации. Система измерений состоит из термопар типа ХК (хромель-капель), датчиков давления ИКД 27 Дф, сигнальных линий и платы восмидесятиканального коммутатора и аналого-цифрового преобразователя M6225. Для обработки информации использована программа, написанная в среде LabVIEW и позволяющая отображать на экране ПК показания на шкалах виртуальных приборов в реальном времени. Программа позволяет оператору визуально контролировать критические аспекты эксперимента (показания датчиков температур опор электрокомпрессора), и определять основные характеристики ЦБК (расход, степень повышения давления). Накопление и запись показаний датчиков по мере проведения эксперимента происходит автоматически в текстовый файл. В файл фиксируется текущее время, положение дроссельной заслонки, перепад давлений на сопле Вентури, давления и температуры перед соплом, до и за ступенью ЦБК, а так же температур радиальных и осевой газодинамических опор, переднего, среднего заднего корпусов электрокомпрессора.

Методика обработки эксперимента на воздухе.

Основными параметрами ступени ЦБК, которые необходимо получить, являются расход газа, степень повышения давления (напор), частота вращения рабочего колеса, подведенная работа, к.п.д. ступени.

          Для определения расхода газа в контуре используется длинное сопло Вентури, которое представлено на рисунке 3. Отводы от сопла подключают к дифференциальному манометру. Расход определяется выражением [3]

,

где

 –плотность газа;

 – избыточное давление перед соплом;

 – перепад давлений на сопле Вентури (разница между  и , то есть показания манометра);

 – температура перед соплом Вентури.

Рис. 3. Схема сопла Вентури: 1- кольцевые усредняющие камеры на входном участке и на горловине, служат для выравнивания давлений; 2- входной конфузор; 3 – горловина; 4 – диффузор

          Степень повышения по параметрам давления торможения ступени компрессора определяется зависимостью

,

где

 – давление перед компрессором;

 – давление за компрессором.

          На рисунке 4 представлены результаты тестового эксперимента, проведенного на атмосферном воздухе (с открытым и замкнутым контуром).

Рис. 4. Результаты тестового эксперимента на воздухе, отношение степени повышения давления от приведённого расхода с предполагаемой кривой характеристики компрессора

          Кривая при частоте 500 Гц была получена в ходе тестового эксперимента на воздухе, она была построена по результатам замеров (красные точки) в ходе эксперимента. Кривые при других частотах вращения компрессора были получены с помощью методики пересчёта характеристик компрессора [4].

          Точность полученных величин оценена как величина предельной ошибки при косвенных измерениях. Предварительно выполнена проверка  на нормальность распределения, то есть сравнение рассчитанного значение критерия соответствия χ² с критическим значением при доверительной вероятности P = 0,95 [5]:

здесь

l – число интервалов ;

 – число всех результатов измерений;

 ;

 – средняя квадратичная ошибка.

Полученные результаты представлены в таблице 1.

Табл. 1. Результаты проверки распределения нормальности измерений

Так как полученные значения критические, то распределения необходимо считать доверительная оценка истинного значения измеряемой величины при неизвестной точности измерений по методике, изложенной в [5].

          Методика обработки прямого многократного измерения заключается в расчёте среднего значения

,

где

 – число измерений;

 – значение каждого измерения.

Средняя квадратичная ошибка отдельного результата определяется по формуле

Она характеризует ошибку каждого отдельного измерения. При   стремиться к постоянному пределу

Среднеквадратичная ошибка среднего арифметического равна

Задавшись требуемым уровнем доверительной вероятности (Р=0,95), определяем коэффициент Стьюдента t(P, n-1) и модуль доверительного интервала:

Результат измерения представляются в виде:

    при доверительной вероятности Р = 0,95.

Погрешности при статической обработке данных представлены таблице 2.

Табл. 2. Погрешность при статистической обработке данных

          Косвенные измерения вычисляются на основе формулы для накопления погрешности

          Погрешность измерений расхода равна

По результатам расчёт погрешности расхода и давления составили

;

.

Заключение

Тестовые запуски стенда электрокомпрессора показали возможность использования данных методик для определения характеристик ступени центробежного компрессора, а так же правильность выбора измерительного оборудования, показавших достаточную точность определения измеряемых параметров.

В результате была получена характеристика компрессора при частоте вращения 500 Гц, для которой были определены погрешности измерений, максимальные значения которых не превысили 2,2 %.

В дальнейшей работе планируется выполнить герметизацию стенда для использования его на инертных газах. А затем произвести полный цикл испытаний компрессора на воздухе и гелиексеноновой смеси. Рассчитать в программной среде ANSYS тепловые потоки в деталях ротора и статора ступени центробежного компрессора, скорректировать экспериментальные значения параметров компрессора.

Работа выполнена при финансовом содействии Министерства науки и образования РФ (государственный контракт от 25 августа 2011 года № 16.516.11.6112).

Литература

1. Участие в монтаже 1-го опытного  образца ЗГТЭУ Ne=1…3 кВт, работающей на природном газе, в испытательном боксе ФГУП «ММПП «Салют», его сборка и отладка. Отчёт НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана по н/и теме Т1027, 2005 г.

2. Разработка центробежного компрессора (ЦБК) блока турбогенератора-компрессора перспективной ЗГТЭУ Ne = 1…3 кВт, работающей на природном газе. Отчёт НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана по н/и теме Т1028, 2005 г.

          3. Гаршин П.А., Личко А.А., Королёв В.Н., Красавина С.А., Методические указания «Расход жидкостей и газов. Методика выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств РД 50-411-83» - М.: Издательство стандартов, 1984. – 40 с.

          4. Б. Эккерт, Осевые и центробежные компрессоры. Применение, теория, расчёт. – Машгиз, 1959. – 680 с.

        5. Румшинский Л.З., Математическая обработка результатов эксперимента. - Главная редакция физико-математической литературы изд-ва “Наука”, 1971. – 192 с.

        6. Грановский В.А., Сирая Т.Н., Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990. – 288 с.