Первичные датчики и приборы

1. Первичные датчики и приборы

·  Первичные датчики частоты вращения (роторов ОК-ТВД и СТ-ВНК) – индуктивные датчики. Выдают электрический сигнал в виде переменного тока, частота которого пропорциональна частоте вращения роторов.

·  Первичные датчики температур низкого уровня (наружный воздух, воздух перед ОК и ВНК, топливный газ) – медные термометры сопротивления.

·  Термометры сопротивления выдают электрический сигнал в виде величины изменения сопротивления их чувствительного элемента, пропорционального уровня температур.

·  Первичные датчики температур среднего уровня (воздух за ОК, воздух за ВНК, низконапорный воздух) – платиновые термометры сопротивления.

·  Первичные датчики температур высокого уровня (продукты сгорания в выхлопном патрубке) – хромель-алюмелевые термопары. Термопары выдают электрический сигнал в виде величины термо-ЭДС, пропорциональной уровню температур.

·  Первичные приборы расхода топливного газа – стандартные расходомерные диафрагмы, которые выдают пневматический сигнал в виде перепада давлений в их измерительных камерах. Величина перепада пропорциональна квадрату расхода газа.

·  Первичные приборы расхода воздуха через ОК и ВНК – торцевые диафрагмы.

2. Зонды

·  В сечениях перед ТВД и ТНД установлено по два зонда полного давления продуктов сгорания.

Зонды размещены с помощью бобышек, приваренных к нижней половине корпуса турбины, в радиальных направлениях, наклоненных к плоскости горизонтального разъема под углами 30º (для ТНД - 25º).

Приемники зондов выдают пневматические сигналы, пропорциональные полному давлению на входе в приемник.

·  В сечении за ТВД установлен один пятиточечный зонд полного и статического давлений продуктов сгорания.

Зонд размещен на нижней половине корпуса турбины горизонтально.

Приемники такого зонда выдают два пневматических сигнала, один из которых пропорционален полному давлению на входе в приемник, а второй – статическому.

·  В сечении за ТНД установлено по два семиточечных зонда полного и статического давлений продуктов сгорания.

Зонды размещены на нижней половине корпуса турбины в радиальных направлениях, наклоненных к плоскости горизонтального разъема под углом 5º.

·  В выхлопном патрубке ГТУ установлены зонды для определения полей полной температуры, а также зонды полного и статического давлений продуктов сгорания.

В связи со значительными размерами газохода число точек достаточно велико.

Положения зондов по высоте газохода в разных плоскостях не совпадают, так что аэродинамические следы зондов, размещенных выше по потоку, не влияют на показания зондов, расположенных ниже по потоку. В этих же целях зонды для измерения давлений установлены выше по потоку.

Чувствительные элементы приемников температурного зонда – спаи термоэлектродов – размещены в камерах торможения приемников. Термоэлектроды изолированы друг от друга жаростойкой кремнеземистой нитью.

Измерительный сигнал термопар – термо-ЭДС, снимаемая с концов термоэлектродов.

Преобразователи, конечные приборы, система сбора данных

Автоматизированный сбор и автоматизированная обработка экспериментальных данных во время испытаний ГТУ возможны, если все измерительные сигналы имеют электрический характер и представлены в цифровом виде.

Сигналы термометров сопротивления, термопар, индуктивных датчиков частоты вращения – аналоговые электрические по своей природе. Пневматические сигналы подвергли преобразованию в электрический вид с помощью преобразователей типа «Сапфир», работающих на тензометрическом принципе.

Преобразование аналоговых электрических сигналов в цифровой вид выполняли с применением цифровых вольтметров.

Сигналы датчиков вращения отцифровывали с помощью цифрового частотомера.

Цифровые устройства были, по существу, конечными приборами.

Оцифрованные сигналы поступали в систему сбора данных, где происходило их накопление и вывод на печать.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Первичные сигналы от датчиков и приборов переводили в значения параметров с помощью тарировочных графиков и таблиц.

Заведомо ошибочные результаты замеров отбрасывали.

Исходные данные по замерам подвергали предварительному преобразованию:

1) осреднению давлений по сечениям: за ТВД, перед ТНД, в выхлопном газоходе и др.;

2) осреднению температур по сечениям: перед и за ОК. перед и за ВНК, в выхлопном газоходе и др.

При расчете ряда параметров использовали распределение расходов потоков в системе охлаждения, принятое для номинального режима работы ГТУ, при этом считалось, что в относительном безразмерном виде это распределение сохраняется при смене режима работы ГТУ.

Результаты испытаний приведены к нормальным условиям, что дает возможность сопоставлять результаты разных по времени испытаний независимо от атмосферных параметров на момент испытания.

В ряде расчетов были использованы предварительно оцененные коэффициенты влияния, которые, как известно, показывают силу связи малых относительных изменений параметров-аргументов с относительными изменениями параметров-функций.

Коэффициенты влияния получают путем анализа взаимосвязей параметров в цикле и схеме ГТУ расчетом по методу малых отклонений или по данным испытаний ГТУ.

Эти расчеты достаточно сложны, так как число параметров ГТУ весьма велико, а связи между ними также многочисленны и, коме того, имеют нелинейный характер.

В данной работе коэффициенты влияния использованы как поправки при обработке результатов испытаний в приведенной к нормальным условиям форме.

Результаты испытаний в приведенной форме дополнительно обработаны для представления их в безразмерном виде.

Для расчета расхода топливного газа, а также расходов воздуха в ОК и ВНК по данным замеров перепадов давления на расходомерных диафрагмах использованы следующие значения коэффициентов:

– диафрагма топливного газа =0,1277;

– торцевая диафрагма ОК =59,341;

– торцевая диафрагма ВНК =43,805.

При обработке результатов испытаний, как правило, использована Международная система единиц СИ.

Пересчет физических величин из одной размерности в другую производят по следующим известным соотношениям.

Для давления: 1мм рт. ст.=1,35951·10^-3 кгс/см²;

1 кгс/м² =10^-4 кгс/см²; 1 кгс/см² =9,80665·10⁴ Па.

Для теплоты: 1ккал/кг = 4,1868 кДж/кг.

Для теплоемкости: 1 ккал/(кг·ºС) = 4,1868 кДж/( кг·ºС).

Паспортные технические характеристики испытуемой ГТУ представлены в табл. 1.

Топливо ГТУ – природный газ, характеристики которого приведены в табл. 2.

Таблица 1 - Технические характеристики испытуемой ГТУ

Параметр	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 2

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Значение
Плотность	20	кг/м3	0,677
Теплота сгорания		ккал/кг	11610
Стехиометрический коэффициент	L0	кг/кг	16,82

АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОВОГО ИСПЫТАНИЯ ГТУ

Исходные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Наименование 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 расчета сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Наименование 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	Ni ВНК		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 РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ К НОРМАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ

По ГОСТ определение мощности и КПД ГТУ необходимо производить при нормальных условиях, которые заданы следующим образом:

1. Для воздуха на срезе входного патрубка компрессора:

– полное давление 1,033 кгс/см²;

– полная температура 15ºС (288К);

– относительная влажность 60%

2. Для уходящих газов в срезе выходного патрубка турбины:

–статическое давление 1,033 кгс/см².

Алгоритм приведения результатов к нормальным условиям сведен в табл. 5.

Таблица 5

Наименование 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 РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ К БЕЗРАЗМЕРНОМУ ВИДУ

Общий вид такого преобразования . Здесь – приведенное значение параметра, а Х₀ – номинальное. Номинальные значения преобразуемых параметров ГТУ приведены в таблице 1.

Таблица 6

Параметр	Значение
	0,784
	1,011
	0,787
	1,003
	0,8756
	0,800
	0,887
	1,020
	0,962
	1,111

Для безразмерных относительных параметров известны приведенные оценочные взаимосвязи (таблица 7).

Таблица 7

Параметр	Значение
	0,542
	0,657
	0,924
	0,817
	0,879
	0,773