www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние 15—20 лет в СССР и за рубежом в различных отраслях хозяйства получил признание новый вид двигателя — газотурбинная установка (ГТУ). Опыт эксплуатации показал, что ГТУ обладают выюокой надежностью и мобильностью, просты в обслуживании, дают возможность полной автоматизации, а также обеспечивают низкую удельную стоимость оборудования и сооружений.

К началу 1969 г. суммарная установленная мощность ГТУ во всех странах мира составляла около 40 млн. кВт (не считая авиации). В 1968 г. только энергетических ГТУ было выпущено на общую мощность около 5 млн. кВт, причем производство их из года в год возрастает на 30—50%. В СССР изготовлены и осваиваются в эксплуатации энергетические ГТУ мощностью 12, 25, 50 и 100 Мвт. На магистральных газопроводах эксплуатируется большое количество приводных ГТУ мощностью от 4 до 10 Мвт. Некоторые из них проработали уже несколько десятков тысяч часов. В ближайшие годы предполагается резкое расширение выпуска ГТУ для электростанций и газопроводов.

В настоящее время прогресс газотурбостроения базируется на экспериментальных исследованиях ГТУ, которые включают испытания и исследования узлов на моделях; автономные стендовые испытания отдельных элементов ГТУ; испытания ГТУ в целом в стендовых и станционных условиях и изучение их работы в длительной эксплуатации. Необходимым условием плодотворности этих работ является единство и эффективность методики, так как только в этом случае могут быть шолучены надежные данные, сопоставимые для «разных агрегатов и различных типов ГТУ.

Как объект исследования газотурбинная установка имеет по сравнению с другими тепловыми двигателями ряд особенностей. Специфика термодинамического цикла и тесная связь различных элементов, взаимодействие которых определяет характеристики ГТУ в целом, требуют:
выбора для представления результатов испытаний определенной системы величин, наиболее наглядно, правильно и полно выражающих качества установки;
обоснования условий сопоставления (различных ГТУ между собой;
создания системы точных измерений требуемых величин и обработки экспериментальных данных, а также методов взаимного контроля полученных результатов;
грамотного назначения режимов испытания и разработки методов приведения результатов испытаний к расчетным условиям.

Особенностями ГТУ с точки зрения измерений являются:
высокий уровень температур и низкий уровень давлений, небольшие теплоперепады;
компактность установки и большие объемные расходы рабочего тела; отсутствие прямолинейных участков трубопроводов, удобных для измерения расходов и давлений;
значительные неравномерности температур и скоростей в трактах, связанные с технологическими особенностями работы отдельных элементов ГТУ.

Первые сведения о методике измерений и обработки результатов испытаний содержатся в статье А. Стодолы [Л. 139], посвященной исследованию простой энергетической ГТУ мощностью 4 Мвт фирмы Броун-Бовери. В последующих публикациях фирмы Броун-Бовери [Л. 135, 136] приведены результаты испытаний большого количества стационарных ГТУ, однако без всяких упоминаний о применявшейся при этом методике. Интересные сведения об отдельных частных вопросах методики испытаний ГТУ, имеющие разную степень ценности, содержатся в ряде других зарубежных источников [Л. 128, 131, 132, 134]. В них оценивается точность измерений отдельных параметров и определения показателей ГТУ, рассматриваются способы определения их к. п. д., описываются методы измерений, применявшиеся при конкретных испытаниях, и порядок проведения опытов, упоминается о методах приведения и условиях сравнения полученных результатов с гарантиями.

Наиболее полные и систематически изложенные сведения о методике испытаний газотурбинных установок 4 содержатся в нормах, разработанных ASME [Л. 126]. Эти нормы устанавливают порядок приемочных испытаний ГТУ различных типов и назначения. Они включают в себя определения основных понятий и терминов, указания о порядке организации испытаний и круге вопросов, подлежащих при этом согласованию, требования к измерительным приборам и методам измерений, а также рекомендации, касающиеся измерения основных параметров и характеристик ГТУ. При этом основное внимание уделяется точному измерению небольшого числа величин, необходимых для проверки в рабочих условиях гарантий поставщика оборудования. Наибольший интерес представляют разделы, касающиеся методов измерения параметров ГТУ: типов и способов установки датчиков, оценок погрешностей измерений, требований к стабильности режима ГТУ в процессе опыта и т. д. Эти разделы отражают имеющийся в США в этой области практический опыт и содержат ряд ценных рекомендаций.

В СССР исследования отдельных турбомашин и аппаратов, а также испытания ГТУ в целом проводятся многими исследовательскими и наладочными организациями СВТИ, ЦКТИ, ОРГРЭС и др.) и турбостроительными заводами (НЗЛ, ЛМЗ, ХТГЗ, завод «Экономайзер», КТЗ, УТМЗ и др.). Ими накоплен значительный практический опыт, нашедший свое отражение в литературе [Л. 18—20, 44—46, 75, 76 и др.]. Вопросам пересчета результатов испытаний и сравнения показателей ГТУ, полученных при испытаниях, с заданными по техническим условиям посвящен ряд работ [Л. 27, 28, 92]. Большой опыт накоплен по испытаниям авиационных газотурбинных двигателей. Но эти двигатели существенно отличаются от типичных стационарных ГТУ не только более простыми схемами и циклами, но и по условиям работы и проведения испытаний. Поэтому имеющиеся в этой области книги [Л. 23, 105] при испытаниях стационарных ГТУ могут служить лишь подсобным материалом.

Непосредственное приложение к испытаниям ГТУ имеют отдельные разделы книг, посвященных смежным областям. В монографиях по теплотехническим измерениям [Л 25, 58, 87, 103] справочных и нормативных изданиях [Л. 16, 53, 59, 86] содержатся основные сведения о методах и точности измерений давления, температуры и расходов. В монографии А. В. Щегляева и Н. Г. Морозова [Л. 121], содержащей проект Правил испытаний, приведены ценные рекомендации относительно подготовки и непосредственной организации испытаний на электростанциях. Методика эксплуатационных испытаний паровых турбин в современных условиях изложена в [Л. 38]. Особенности методики измерений и обработки результатов испытаний центробежных компрессоров описаны В. Ф. Рисом [Л. 90], а конструкции различных измерительных устройств, применяемых при испытаниях компрессоров — Н. Ф. Пошехоновым и др. [Л. 79, 80, 85]. Отдельные вопросы, близкие к возникающим при испытаниях ГТУ, рассмотрены в литературе по испытаниям двигателей внутреннего сгорания и котельных агрегатов [Л. 22, 49].

Теоретический анализ особенностей газотурбинных циклов и влияния различных факторов на их совершенство (удельную мощность и к. п. д.) выполнен достаточно подробно и полно в общей литературе по газовым турбинам [Л. 37, 101, 104, 115, 138]. Там же разработаны основные вопросы, связанные с работой ГТУ на нерасчетных режимах. Переменному режиму ГТУ посвящены также специальные статьи и монографии [Л. 35, 41, 74, 133]. В этих работах, а также в ряде специальных исследований, некоторые из которых посвящены работе отдельных элементов ГТУ [Л. 13, 90, 113], обосновано применение методов теории подобия [Л. 94] к лопаточным машинам и газотурбинным установкам в целом. Методы пересчета характеристик осевых и центробежных компрессоров при отклонениях от условий подобия разработаны в [Л. 13, 90, 113].

В ряде работ [Л. 34, 41, 74] рассмотрены различные применения приближенного метода малых отклонений для расчетов и анализа режимов работы ГТУ. Наиболее полной и инженерной по изложению является здесь книга А. Я. Черкеза [Л. 110].

Сделанный краткий обзор показывает, что в настоящее время существуют теоретические и практические предпосылки для формулирования и обоснования рациональной методики испытаний стационарных газотурбинных установок. В книге сделана попытка последовательно и достаточно полно рассмотреть вытекающие из этой задачи вопросы и дать рекомендации, которые должны помочь подготовить и провести испытание и правильно оценить его результаты. Она представляет собой обобщение специальных методических исследований и практики тепловых испытаний, которые проводились автором в течение более 10 лет его работы в ВТИ им. Дзержинского, а также опыта, накопленного при проведении таких испытаний турбостроительными заводами и специализированными исследовательскими организациями: ЦКТИ, ОРГРЭС и др. Изложение ведется с учетом опыта испытаний паровых турбин и котлов, двигателей внутреннего сгорания, авиационных газотурбинных двигателей, на базе общей теории газовых турбин и теплотехнических измерений.

Книга предназначена для инженеров и техников, которые занимаются доводкой, испытаниями и эксплуатацией газотурбинных установок. Она рассчитана главным образом на работников лабораторий и конструкторских бюро турбостроительных заводов, исследовательских и наладочных служб районных энергетических управлений и управлений магистральных газопроводов, а также на старший эксплуатационный персонал электрических и компрессорных станций.

Отдельные разделы книги будут полезны учащимся вузов и их преподавателям, а также проектировщикам ГТУ и сотрудникам научно-исследовательских организаций.

Автор выражает благодарность начальнику Лаборатории газовых турбин ВТИ им. Дзержинского Г. И. Шувалову, под руководством которого были организованы и проведены тепловые испытания первых отечественных ГТУ, а также всему коллективу группы тепловых испытаний этой лаборатории — людям, практическая работа, опыт и дружеская поддержка которых оказали ему неоценимую помощь.

Назад, на страницу описания