Development of test-benches for control and research tests of turbochargers

Full Text

Стенды предназначены для контрольных и приёмо-сдаточных испытаний турбокомпрессоров (ТКР) в диапазонах типоразмеров 45…50, 60…80, 90…100, 180…230 и их модификаций для проверки соответствия параметров ТКР в контрольной точке требованиям технических условий (ТУ) при серийном производстве. Испытательный комплекс состоит из 4-х независимых стендов. Каждый из стендов предназначен для работы с определённым типом турбокомпрессоров (рисунок 1), однако структуры стендов идентичны. Стенд испытаний турбокомпрессоров – это комплекс технологического, пневматического, гидравлического, электрического оборудования, объединенного системой автоматизированного управления, контроля и измерения параметров [1]. Рисунок 1 Стенд безмоторных испытаний турбокомпрессоров состоит из испытуемого ТКР с приспособлениями для его крепления, систем подвода и отвода газа и воздуха, системы смазки, системы топливоподачи и средств измерения [2]. Система подвода воздуха к компрессору включает воздушный фильтр, устройство для измерения расхода воздуха через компрессор, преобразователи температуры и давления воздуха на входе в компрессор и выходе из него, соединительные воздуховоды. Расход воздуха после компрессора регулируется заслонкой с электроприводом и позиционером для осуществления обратной связи с информацией о положении заслонки. Автономная сеть сжатого воздуха снабжена устройством для измерения расхода воздуха, преобразователями температуры и давления, а также электромагнитным клапаном для аварийного перекрытия подачи воздуха в магистраль стенда. Система подвода газа к турбине может быть осуществлена несколькими способами: 1. Разомкнутый цикл, когда воздух в камеру сгорания подается только из автономной сети сжатого воздуха. 2. Полузамкнутый цикл, воздух из компрессора ТКР подаётся на вход камеры сгорания, а также добавляется воздух из автономной сети. 3. Замкнутый цикл, воздух из автономной сети используется только для пуска стенда и выхода ТКР на режим, затем он перекрывается, и обеспечение воздухом камеры сгорания осуществляется только компрессором ТКР. Система смазки предназначена для подвода масла к подшипниковому узлу ТКР для обеспечения смазки и охлаждения ротора. Масло циркулирует в замкнутом контуре. Система включает масляный бак с электронагревателями и жидкостно-масляным теплообменником для поддержания заданной температуры масла, масляный насос с приводом, масляный фильтр, устройство для измерения расхода масла, вентили, датчики температуры и давления масла перед ТКР, маслопроводы. Система топливоподачи предназначена для подачи и регулирования расхода топлива через камеру сгорания. Включает топливный бак, топливный насос с приводом, топливный фильтр, клапаны подачи топлива к форсункам, форсунки со сменными распылителями, свечу зажигания, топливопроводы, преобразователи температуры, давления и расхода топлива. Для измерения частоты вращения ротора и виброактивности турбокомпрессора предназначен виброанализатор с акселерометром. Измерение частоты вращения ротора осуществляется путём регистрации оборотной частоты в спектре колебаний ТКР по специальной методике. Датчики имеют электрический выход, позволяющий выводить результаты измерений на АЦП, оцифровываются и обрабатываются на стендовом компьютере [3]. При испытаниях определяются параметры и характеристики ТКР, предусмотренные программой испытаний. Характеристики компрессора ТКР определяются при постоянных окружных скоростях на наружном диаметре лопаток колеса компрессора, приведенных к нормальным условиям, кратных 50 м/с, в диапазоне от 250 до 550 м/с. Характеристики компрессора ТКР определяются во всем его рабочем диапазоне: от максимального расхода воздуха через компрессор до границы помпажа. Начало помпажа компрессора определяется по появлению колебаний давления воздуха в выходном трубопроводе компрессора и повышению температуры на входе компрессороной ступени, регистрируемых преобразователем давления и температуры с мониторингом на соответствующем приборе. Характеристики компрессора и турбины определяются по одновременно измеренным параметрам на одних и тех же режимах работы ТКР. Измерение параметров проводится при установившемся режиме работы турбокомпрессора и в режиме реального времени отображается на рабочем столе оператора [4] (рисунок 2). Рисунок 2 – Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) технологического оборудования В процессе испытаний автоматически формируются отчетные файлы [5]: 1. Файл измерений – это файл, содержащий все значения параметров, измеряемых приборами и датчиками стенда. 2. Файл расчета – этот файл содержит сведения о ТКР, начальные данные и все рассчитываемые параметры турбокомпрессора. 3. Файл статистики – содержит основные контролируемые параметры турбокомпрессора (в основном эти сведения необходимы для контроля качества серийной продукции). По результатам испытаний характеристики ТКР представляются в виде графических зависимостей: · степени повышения давления воздуха и адиабатического КПД компрессора от приведенного расхода воздуха через компрессор и приведенной окружной скорости на наружном диаметре колеса или частоты вращения ротора; · эффективного КПД, приведенного расхода газа через турбину и пропускной способности турбины от степени уменьшения давления газа в турбине. В случае контрольных или приёмо-сдаточных испытаний параметры ТКР сравниваются с имеющимися характеристиками компрессора и турбины. Система автоматического управления, контроля, измерения параметров турбокомпрессоров (САУКИП): автоматизированная система представляет собой совокупность измерительных, контрольных, управляющих модулей, функционально объединенных в единый испытательно-исследовательский комплекс. Программное обеспечение (ПО) системы представляет собой три уровня иерархии: КП (контролируемый пункт), ДП (диспетчерский пункт), АРМ (автоматизированные рабочие места (рисунок 3). Рисунок 3 Уровень КП Это нижний уровень системы. Представлен программой KpServer (сервер КП). Каждый из четырех стендов имеет собственную конфигурацию, в соответствии с которой программа осуществляет периодический опрос подключенного к стендам оборудования и передает данные в следующий уровень – ДП. Каналы виброанализатора СД-21 подключены к 4 стендам, но управление и съем данных с этого устройства выполняется только одним из серверов КП. Уровень КП децентрализован, и возможна работа от 1 до 4 серверов КП в системе. На данный момент аппаратная конфигурация системы такова, что существует единственный (центральный) компьютер – сервер САУКИП, на котором установлено ПО уровней КП и ДП, в то время как АРМы распределены по стендам. Уровень ДП Центральное звено системы представлено программой DpServer (сервер ДП). Сервер ДП выполняет три главные задачи: сбор данных с серверов уровня КП (от 1 до 4), запись данных в базу данных MS SQL Server 2000/2005, передачу данных в АРМы и прием команд от АРМов. Конфигурация сервера ДП представляется объединением конфигураций серверов КП плюс дополнительная информация для подключения сервера СУБД и АРМов. Уровень АРМ Верхний уровень системы представлен программой jskit, выполняющейся на каждом компьютере – рабочем месте оператора стенда (от 1 до 4 мест). Программа обеспечивает подключение к серверу ДП для получения on-line данных, а также визуализирует мнемосхемы стендов с учетом текущего состояния измерений. Информационная часть комплекса состоит из сервера, 4-х автоматизированных рабочих мест операторов и стенда калибровки (рисунок 4). Всё оборудование связано независимой ЛВС. Данные, собранные с СИТ, обрабатываются сервером, который имеет выход в ЛВС предприятия. Таким образом, информация, полученная в ходе испытаний, может быть выведена на любой персональный компьютер, подключенный к сети предприятия. Для связи оборудования стенда и стендового компьютера используется оборудование фирмы МОХА (плата C104H/PCI-DB9M). Рисунок 4 Целью создания САУКИП СИТ является автоматизация хода испытания и процесса измерения, экономия ресурсов за счет внедрения информационных технологий. Результатом внедрения системы (рисунок 5) является: · повышения качества контрольных и приёмосдаточных испытаний; · автоматизированный сбор, обработка, представление и хранение данных по признакам; · обеспечение точности режимов испытаний; · повышение эффективности процесса испытаний; · повышение информативности процесса испытания; · обеспечение безопасности персонала; · улучшение ремонтопригодности оборудования; · снижение технических и коммерческих потерь в ходе испытаний; · обеспечение сохранности данных об измеренных величинах и служебной информации в специальной базе данных, отвечающей требованию повышенной защищенности. Функции, реализуемые САУКИП СИТ: · автоматическое выполнение измерений физических величин во время испытаний турбокомпрессора; · автоматический выбор конфигурации режимов в зависимости от типа изделия; · вывод текущих значений измерения на АРМ оператора; · визуализация процесса испытаний; · оперативный контроль режимов испытаний; · анализ результатов измерений; · сохранение базы данных результатов измерений; · выдача результатов измерений в форме таблиц, графиков, протоколов; · диагностика и мониторинг систем. · выдача предупреждений об аварийных ситуациях. · обеспечение сохранности данных об измеренных величинах и служебной информации в специальной базе данных, отвечающей требованию повышенной защищенности. Рисунок 5 Методы испытаний и применяемое оборудование соответствуют требованиям ГОСТ Р 53637-2009 «Турбокомпрессоры автотракторные. Общие технические требования и методы испытаний».

About the authors

V. N Kaminskiy

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng., Prof.

R. V Kaminskiy

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

A. V Lazarev

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

I. N Grigorov

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

A. V Kostyukov

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

S. A Korneev

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

I. V Kovaltsov

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

A. S Sergeev

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

A. A Gusak

Scientific and Production Association “Turbotehnika”

Email: turbo@kamturbo.ru

S. V Sibiryakov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files