RU2808939C1

RU2808939C1 - Method for gas-dynamic testing of diffuser

Info

Publication number: RU2808939C1
Application number: RU2023105014A
Authority: RU
Inventors: Илья Николаевич Волков
Original assignee: Илья Николаевич Волков
Filing date: 2023-03-04
Publication date: 2023-12-05

Abstract

FIELD: testing equipment.

SUBSTANCE: invention relates to methods for testing diffusers and can be used to test diffusers for hydraulic losses. First control diffuser (2), first receiver (3), confuser (4), second control diffuser (5), identical to first control diffuser (2), and second receiver (6) are sequentially placed on the stand. Perform control blowing with the working fluid, recording the readings of differential pressure gauge (8) between receivers (3, 6). Then replace second control diffuser (5) on the diffuser being tested. Moreover, the tested diffuser has the same areas and ratios of areas at the outlet and inlet as control diffuser (5). Purging is carried out using the working medium while recording the readings of differential pressure gauge (8). Based on the difference in pressure determined during control purging and during direct testing, the hydraulic losses of the tested diffuser are estimated.

EFFECT: ensuring high accuracy of assessment of diffusers of various designs for hydraulic losses.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к разделу физики, конкретно к подклассу испытание деталей машин.The invention relates to the section of physics, specifically to the subclass of testing machine parts.

Известен способ обеспечения прочности турбины газотурбинного двигателя, включающий нормированное изменение поля температур перед и за камерой сгорания при изменении режима работы двигателя и длительной ресурсной наработке, при этом производят измерения расхода топлива энергоузла, камеры подогрева и камеры сгорания, расхода воздуха через нагнетатель энергоузла и в камеру сгорания, статического и полного давления за камерой сгорания, давления и температуры газа в мерных участках отборов внутреннего и наружного канала, оборотов компрессора низкого и высокого давления двигателя энергоузла и оборотов нагнетателя, температуры воздуха на входе в двигатель энергоузла и нагнетателя, температуры среды в камере сгорания, дополнительно с помощью поворотной турели производят измерение температуры газа на выходе из камеры сгорания, по измеренным значениям параметров определяют приведенную скорость воздуха на входе в камеру сгорания и температуру воздуха на входе в диффузор, при этом в режиме реального времени определяют среднемассовую температуру газа с использованием сеточных методов иллюстрирования результатов краевых многоточечных задач, при исключении, путем регулирования, значений температуры газа, несоответствующих базовым, из совокупности расчета температуры газа по измеренным значениям расхода воздуха и топлива, установленных в сечении измерения, а изменение средней радиальной регламентированной неравномерности распределения поля температуры газа из условия обеспечения прочности турбины, производят путем поддержания заданных давлений, температур и приведенной скорости воздуха на входе в камеру сгорания и учета относительных расходов воздуха, отбираемого на охлаждение турбины (RU №2755450, МПК: G01M 15/02, G01M 15/02, СПК: G01M 15/02, G01M 15/02, опубликовано 16.09.2021).There is a known method for ensuring the strength of the turbine of a gas turbine engine, which includes a normalized change in the temperature field in front of and behind the combustion chamber when changing the operating mode of the engine and long-term service life, while measuring the fuel consumption of the power unit, the heating chamber and the combustion chamber, the air flow through the supercharger of the power unit and into the chamber combustion, static and total pressure behind the combustion chamber, gas pressure and temperature in the measuring sections of the internal and external channel bleeds, low and high pressure compressor speed of the power unit engine and supercharger speed, air temperature at the inlet of the power unit engine and supercharger, medium temperature in the combustion chamber , additionally, using a rotary turret, the gas temperature at the outlet of the combustion chamber is measured, the reduced air velocity at the inlet to the combustion chamber and the air temperature at the inlet of the diffuser are determined from the measured parameter values, while the average mass temperature of the gas is determined in real time using grids methods for illustrating the results of boundary multipoint problems, with the exclusion, by regulation, of gas temperature values that do not correspond to the base ones from the set of gas temperature calculations based on the measured values of air and fuel flow rates established in the measurement section, and the change in the average radial regulated unevenness of the distribution of the gas temperature field from the condition ensuring the strength of the turbine is carried out by maintaining specified pressures, temperatures and reduced air speed at the entrance to the combustion chamber and taking into account the relative flow rates of air taken to cool the turbine (RU No. 2755450, IPC: G01M 15/02, G01M 15/02, SPK: G01M 02/15, G01M 02/15, published 09/16/2021).

Известный способ относится к испытаниям полноразмерного узла и относится к доводочным и специальным испытаниям отдельных агрегатов, например с целью увеличения ресурса газотурбинного двигателя путем обеспечения регламентированной неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания. При испытаниях новых (измененной конструкции) диффузоров известным способом вносятся значительные погрешности, связанные с влиянием других факторов, в частности наличие жаровой трубы камеры сгорания, потерь полного давления вследствие горения, и не всегда удается с высокой достоверностью оценить влияние конструктивного изменения, вклад конкретного конструктивного вмешательства во входном устройстве камеры сгорания на гидравлические потери.The known method relates to testing a full-size unit and refers to development and special tests of individual units, for example, with the aim of increasing the life of a gas turbine engine by ensuring regulated unevenness of the temperature field at the exit from the combustion chamber. When testing new (changed design) diffusers in a known manner, significant errors are introduced due to the influence of other factors, in particular the presence of a flame tube of the combustion chamber, total pressure losses due to combustion, and it is not always possible to assess with high reliability the impact of a design change, the contribution of a specific design intervention in the combustion chamber inlet for hydraulic losses.

Известен также способ испытания сопловых блоков, заключающийся в подаче воздуха, разделении его на два равных по расходу отдельных потока, которые направляют в эталонное и испытуемое сопла, дополнительно, перед разделением потока в нем распыляют жидкость, при этом отношение расхода жидкости (m_ж) к расходу воздуха (m_в) выбирают из следующего интервала значений: m_ж/m_в=0,0003-0,002. (RU №2045752, МПК: G01M 9/00, F02K 1/78, опубликовано 10.10.1995). Этот способ испытаний выбран в качестве прототипа.There is also a known method for testing nozzle blocks, which consists in supplying air, dividing it into two separate flows of equal flow rate, which are directed into the reference and test nozzles; additionally, before dividing the flow, liquid is sprayed in it, with the ratio of liquid flow rate ( _mf ) to air flow (m _in ) is selected from the following range of values: m _f /m _in =0.0003-0.002. (RU No. 2045752, IPC: G01M 9/00, F02K 1/78, published 10.10.1995). This test method was chosen as a prototype.

При испытании диффузора известным способом расходуется удвоенное количество сжатого воздуха, а также вносятся дополнительные погрешности, связанные с разделением одного потока на два потока, что является недостатком.When testing a diffuser in a known manner, a double amount of compressed air is consumed, and additional errors are introduced due to the division of one stream into two streams, which is a disadvantage.

Главная функция диффузора заключается в получении заданного уменьшения скорости, определяемая отношением площадей на выходе и входе, при как можно меньших гидравлических потерях.The main function of the diffuser is to obtain a given reduction in speed, determined by the ratio of the areas at the outlet and inlet, with as little hydraulic losses as possible.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности оценки влияния конструктивных изменений на характеристики диффузора, в частности, на гидравлические потери, в процессе опережающей отработки новых технических решений на стадии подготовки к разработке новых конструкций, например, газотурбинного двигателя, максимально простым и наглядным способом.The proposed invention solves the problem of increasing the efficiency of assessing the impact of design changes on the characteristics of the diffuser, in particular on hydraulic losses, in the process of advanced development of new technical solutions at the stage of preparation for the development of new designs, for example, a gas turbine engine, in the simplest and most visual way possible.

Для достижения этого технического результата в способе газодинамического исследования диффузора, заключающийся в продувке через испытуемое и контрольное устройство рабочего тела, например воздуха, и проведении измерений газодинамических параметров, рабочее тело продувают последовательно в начале через контрольный диффузор, первый ресивер, затем конфузор, далее, испытуемый диффузор с одинаковыми площадями и отношением площадей на выходе и входе, что и контрольный диффузор, второй ресивер, а об эффективности испытуемого диффузора судят по разнице статических давлений первого и второго ресиверов.To achieve this technical result in the method of gas-dynamic research of a diffuser, which consists in blowing a working fluid, for example air, through the test and control device and carrying out measurements of gas-dynamic parameters, the working fluid is blown sequentially at the beginning through the control diffuser, the first receiver, then the confuser, then the test a diffuser with the same areas and ratio of areas at the outlet and inlet as the control diffuser, the second receiver, and the efficiency of the tested diffuser is judged by the difference in the static pressures of the first and second receivers.

При этом контрольную продувку осуществляют через безотрывной диффузор или классический диффузор с внезапным расширением, а после первого ресивера, рабочее тело пропускают через конфузор в виде сопла Витошинского.In this case, control blowing is carried out through a continuous diffuser or a classic diffuser with sudden expansion, and after the first receiver, the working fluid is passed through a confuser in the form of a Vitoshinsky nozzle.

В зависимости от применения диффузора в конкретных конструкциях, в качестве рабочего тела используют воздух, продукты сгорания топлива в воздухе или перегретый пар.Depending on the use of the diffuser in specific designs, air, fuel combustion products in air, or superheated steam are used as the working fluid.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что рабочее тело продувают последовательно, в начале, через контрольный диффузор, первый ресивер, затем конфузор, далее, испытуемый диффузор с одинаковыми площадями и отношением площадей на выходе и входе, что и контрольный диффузор, второй ресивер, а об эффективности испытуемого диффузора судят по разнице статических давлений первого и второго ресиверов.The distinctive features of the proposed method from the above-mentioned known one, which is closest to it, is that the working fluid is blown sequentially, at the beginning, through a control diffuser, the first receiver, then the confuser, then the test diffuser with the same areas and the ratio of the areas at the outlet and inlet , as the control diffuser, the second receiver, and the effectiveness of the tested diffuser is judged by the difference in static pressures of the first and second receivers.

В зависимости от применения диффузора в конкретных конструкциях, в качестве рабочего тела используют продукты сгорания топлива в воздухе или перегретый пар.Depending on the use of the diffuser in specific designs, the products of fuel combustion in air or superheated steam are used as the working fluid.

Благодаря наличию этих признаков измерением одного параметра - перепада статических давлений первого и второго ресиверов удается оценить эффективность испытуемого диффузора с высокой точностью. Связано последнее с тем, что в каждый момент времени через контрольный и испытуемый диффузоры проходит одно и то же количество рабочего тела и отсутствует влияние внешних параметров на ход испытаний.Thanks to the presence of these signs, by measuring one parameter - the difference in static pressures of the first and second receivers, it is possible to assess the efficiency of the tested diffuser with high accuracy. The latter is due to the fact that at each moment of time the same amount of working fluid passes through the control and test diffusers and there is no influence of external parameters on the progress of the tests.

На фигуре представлена схема стенда, реализующая предлагаемый способ газодинамического исследования диффузора.The figure shows a diagram of a stand that implements the proposed method of gas-dynamic research of a diffuser.

Стенд состоит из магистрали 1 рабочего тела, контрольного диффузора 2, первого ресивера 3, конфузора 4, испытуемого диффузора 5, второго ресивера 6 и заслонки 7. Стенд также снабжен дифференциальным манометром 8. При испытаниях, на стенде размещают контрольный 2 и испытуемый 5 диффузоры с одинаковыми площадями и отношением площадей на выходе и входе.The stand consists of a working fluid line 1, a control diffuser 2, a first receiver 3, a confuser 4, a test diffuser 5, a second receiver 6 and a damper 7. The stand is also equipped with a differential pressure gauge 8. During testing, control 2 and test 5 diffusers with equal areas and ratio of areas at the exit and entrance.

С использованием схемы на фигуре, исследование диффузора осуществляют следующим образом.Using the diagram in the figure, the diffuser is examined as follows.

Первоначально, по проточной части стенда продувают два одинаковых контрольных диффузора 2, причем один из них на своем исходном месте, другой вместо испытуемого диффузора 5, и по показаниям дифференциального манометра 8 определяют исходные характеристики стенда dPисх.Initially, two identical control diffusers 2 are blown through the flow path of the stand, one of them in its original place, the other instead of the diffuser under test 5, and according to the readings of the differential pressure gauge 8, the initial characteristics of the stand dPin are determined.

Затем меняют один контрольный на испытуемый диффузор 5 и проводят исследование продувкой рабочего тела последовательно через магистраль 1, контрольной диффузор 2, первый ресивер 3, конфузор 4, испытуемый диффузор 5, второй ресивер 6 и заслонку 7. Пропуская рабочее тело через конфузор 4 в виде сопла Витошинского обеспечивают равномерное поле скоростей на входе в испытываемый диффузор 5. Рабочее тело после заслонки 7 поступает в атмосферу. При испытаниях фиксируют показания дифференциального манометра 8 dPраб.Then they change one control diffuser 5 to the test diffuser and conduct a study by blowing the working fluid sequentially through line 1, control diffuser 2, first receiver 3, confuser 4, test diffuser 5, second receiver 6 and damper 7. Passing the working fluid through confuser 4 in the form of a nozzle Vitoshinsky provide a uniform velocity field at the entrance to the tested diffuser 5. The working fluid after the damper 7 enters the atmosphere. During testing, the readings of the differential pressure gauge 8 dPwork are recorded.

Сравнение перепадов давлений dPисх и dPраб наглядно и с высокой точностью показывает газодинамическое совершенство испытуемого диффузора 5. Например, используя в качестве средства измерения U-образный жидкостный манометр, можно оценить гидравлические потери испытуемого диффузора 5 с точностью до 1 мм водяного столба. В зависимости от задач исследования, в частности, разработки наиболее совершенного «короткого» диффузора заданной длины, dPраб может быть существенно больше dPисх. В этом случае, сравнивают показания дифференциального манометра 8 при испытаниях диффузоров разных конструкций между собой, а в качестве контрольного 2 возможно использование классического диффузора с внезапным расширением.Comparison of pressure differences dPout and dPrun clearly and with high accuracy shows the gas-dynamic perfection of the tested diffuser 5. For example, using a U-shaped liquid pressure gauge as a measuring tool, it is possible to estimate the hydraulic losses of the tested diffuser 5 with an accuracy of 1 mm of water column. Depending on the objectives of the research, in particular, the development of the most advanced “short” diffuser of a given length, dPwork can be significantly greater than dPout. In this case, the readings of differential pressure gauge 8 are compared with each other when testing diffusers of different designs, and a classic diffuser with sudden expansion can be used as a control 2.

Реализация способа позволяет с высокой точностью оценить степень совершенства различных конструкций диффузоров при минимальных затратах на создание и экспериментальную доводку новых технических решений. Способ может быть использован как на стадии подготовки к разработке новых конструкций с использованием диффузора, так и при совершенствовании существующих и эксплуатирующихся устройств.The implementation of the method makes it possible to assess with high accuracy the degree of perfection of various diffuser designs with minimal costs for the creation and experimental development of new technical solutions. The method can be used both at the stage of preparation for the development of new designs using a diffuser, and when improving existing and operating devices.

Claims

1. A method for comparative testing of a diffuser for hydraulic losses, which consists of blowing a working fluid through a test and control device, characterized in that the first control diffuser, the first receiver, the confuser, the second control diffuser, identical with the first diffuser, the second receiver, are sequentially placed on the stand. perform a control purge with the working fluid, recording the readings of the differential pressure gauge between the receivers, then change the second control diffuser to the test diffuser, which has the same areas and ratios of areas at the outlet and inlet as the control diffuser, perform a purge with the working fluid, recording the readings of the differential pressure gauge, according to The difference in pressure determined during control blowing and during direct testing evaluates the hydraulic losses of the tested diffuser.

2. The method according to claim 1, characterized in that the control blowing is carried out through a continuous diffuser.

3. The method according to claim 1, characterized in that the control blowing is carried out through a classic diffuser with sudden expansion.

4. Method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that after the first receiver the working fluid is passed through a confuser in the form of a Vitoshinsky nozzle.

5. Method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that one of the gases is used as the working fluid: air, products of fuel combustion in the air, superheated steam.