Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. В. Скороходов, В. Л. Блинов, О. В. Комаров

ИСПЫТАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ 
ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ 
И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
13.04.03 — Энергетическое машиностроение

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.438(075.8)
ББК 31.363я73
          С44
Рецензенты:
проф., д‑р техн. наук С. М. Шанчуров (завкафедрой энергетики Уральско‑
го государственного лесотехнического университета);
канд. техн. наук Т. Л. Шибаев (главный конструктор АО «Уральский тур‑
бинный завод»)

Научный редактор проф., канд. техн. наук Б. С. Ревзин

 
Скороходов, А. В.
С44    Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомо‑
гательного оборудования : учебное пособие / А. В. Скороходов, В. Л. Бли‑
нов, О. В. Комаров ; Мин‑во науки и высш. образования РФ. — Екатерин‑
бург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 132 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3151‑2

В издании описаны испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов 
и вспомогательного оборудования, эксплуатируемого на компрессорных станциях 
отечественной газотранспортной системы. Представлена информация о парке из‑
мерительного оборудования, изложены методики проведения теплотехнических 
испытаний газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного обо‑
рудования, описаны методики обработки экспериментальных данных.
Учебное пособие предназначено для студентов всех курсов, обучающихся по на‑
правлению «Энергетическое машиностроение», слушателей системы подготов‑
ки, переподготовки и повышения квалификации специалистов газотранспорт‑
ных предприятий и энергетического комплекса.

Библиогр.: 16 назв. Табл. 10. Рис. 40. Прил. 3.

УДК 621.438(075.8)
ББК 31.363я73

ISBN 978‑5‑7996‑3151‑2 
 © Уральский федеральный

 
     университет, 2020

Оглавление

Введение ................................................................................................ 5

1. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов 
и вспомогательного оборудования .................................................... 7
1.1. Понятие эксперимента ............................................................. 7
1.2. Виды испытаний ГТУ ............................................................... 8

1.2.1. Научно‑исследовательские работы ................................ 8
1.2.2. Опытные испытания ....................................................... 9
1.2.3. Серийные испытания .................................................... 11
1.2.4. Эксплуатационные испытания ..................................... 12

1.3. Виды измерений основных параметров ................................ 13
1.4. Средства измерений при экспериментальных 
исследованиях газотурбинных газоперекачивающих 
агрегатов .................................................................................. 18
1.4.1. Измерение давления ..................................................... 18
1.4.2. Средства и методы измерения температуры ................ 28
1.4.3. Цветовые температурные индикаторы ......................... 39
1.4.4. Измерение скоростей потока ........................................ 41
1.4.5. Измерение расходов жидкостей и газов ....................... 42
1.4.6. Измерение расходов жидкости ..................................... 43
1.4.7. Измерение силы ............................................................ 48
1.4.8. Измерение частоты вращения ...................................... 51
1.4.9. Измерение вибрации ..................................................... 53
1.4.10. Измерение радиальных зазоров .................................. 53

1.5. Определение погрешности измерений .................................. 57
1.6. Методы испытаний газотурбинных установок ..................... 59

1.6.1. Измерение электрической мощности .......................... 63
1.6.2. Измерение механической мощности ........................... 64
1.6.3. Метод балансов энергии ............................................... 65
1.6.4. Прямые методы измерения мощности ГТУ ................. 67
Контрольные вопросы к главе 1 ................................................... 68

2. Тепловые испытания газотурбинных установок 
в заводских условиях ........................................................................... 69

2.1. Особенности испытаний в заводских условиях .................... 69
2.2. Схема измерений и измерительные устройства .................... 72
2.3. Обработка экспериментальных данных ................................ 78
Контрольные вопросы к главе 2 ........................................................ 84

Оглавление

3. Теплотехнические испытания газотурбинных 
газоперекачивающих агрегатов в условиях эксплуатации .............. 85
3.1. Особенности испытаний в условиях эксплуатации .............. 85
3.2. Программа испытаний и схема измерений ........................... 88

3.2.1. Общие положения программы испытаний .................. 88
3.2.2. Подготовительные работы ............................................ 88
3.2.3. Порядок проведения испытаний .................................. 89
3.2.4. Методика испытаний .................................................... 90

3.3. Методика обработки экспериментальных данных ............... 94
3.4. Понятие коэффициента технического состояния 
ГТУ и ЦБК .............................................................................102
Контрольные вопросы к главе 3 ..................................................111

4. Испытания вспомогательного оборудования 
      компрессорных станций .................................................................112

4.1. Вспомогательное оборудование компрессорной станции ...112
4.2. Эксплуатационные испытания установок охлаждения газа ....114
4.2.1. Основные положения...................................................114
4.2.2. Цель и объем эксплуатационных испытаний .............116
4.2.3. Программа и методика эксплуатационных 
            испытаний  ...................................................................116
4.2.4. Оформление документации .........................................120

4.3. Методика обработки результатов испытаний ГТУ 
        с регенерацией теплоты уходящих газов ..............................121
Контрольные вопросы к главе 4 ..................................................125

Список используемой литературы ......................................................126

Приложение 1
Принципиальная технологическая схема  
установки охлаждения газа ..........................................................128
Приложение 2
Принципиальная схема измерений при испытаниях  
установки охлаждения газа ..........................................................129
Приложение 3
Перечень измерений и погрешностей измерительных 
приборов при испытаниях установок охлаждения газа ..............130

Введение

Т

епловое испытание — одно из множества возможных видов 
экспериментальных исследований, проводимых на газотур‑
бинных установках (ГТУ).
Цель тепловых испытаний — определение основных характеристик 
ГТУ: развиваемой полезной мощности и топливной экономичности, 
количественно выражающейся в величине эффективного КПД. Усло‑
вия проведения таких испытаний и направленность использования их 
результатов определяются стадией жизненного цикла ГТУ. На стадии 
отработки конструкции ГТУ задача тепловых испытаний — получение 
данных об эффективности новых конструкторских решений, предла‑
гаемых разработчиками, а также проверка соответствия характеристик 
ГТУ требованиям, сформулированным в задании на проектирование. 
На этой стадии испытания проводят на стендах заводов‑изготовителей 
или на стендах, размещенных на опытно‑промышленных станциях. 
В этих условиях ГТУ может работать со штатной нагрузкой или быть 
оснащена специальными нагрузочными устройствами для измерения 
мощности. При испытаниях на заводском стенде могут быть использо‑
ваны специальные измерительные устройства для подробного и тща‑
тельного определения параметров рабочих тел в сечениях трактов ГТУ.
На стадии эксплуатации ГТУ задача тепловых испытаний — опре‑
деление фактических характеристик агрегата, меняющихся с течени‑
ем времени под действием эксплуатационных факторов, т. е. оценка 
ее технического состояния, а также получение данных о результатив‑
ности модернизаций, проводимых для улучшения показателей.
При испытаниях, проводимых в условиях промышленной эксплу‑
атации, ГТУ нагружена приводимым агрегатом. Необходимо ориен‑
тироваться в основном на измерительные приборы в штатной конфи‑
гурации, а возможность установки дополнительных измерительных 
устройств ограничена.

Введение

Принципы проведения тепловых испытаний стационарной ГТУ 
должны удовлетворять требованиям основного нормативного докумен‑
та — ГОСТ 20440–75 «Установки газотурбинные. Методы испытаний». 
При этом следует учитывать требования ГОСТ 21199–75 «Установки га‑
зотурбинные. Общие технические требования» и ГОСТ 28775–90 «Агре‑
гаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие техни‑
ческие условия». В газотранспортной отрасли при испытаниях ГТУ 
действуют положения отраслевого документа ПР 51‑31323949‑43‑99 
«Методические указания по проведению теплотехнических и газоди‑
намических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачи‑
вающих агрегатов».

1. Испытания газотурбинных 
газоперекачивающих агрегатов 
и вспомогательного оборудования

1.1. Понятие эксперимента

Б

ольшой энциклопедический словарь дает такое понятие, как 
эксперимент (от лат. experimentum — проба, опыт) — чувствен‑
но‑предметная деятельность в науке; в более узком смысле — 
опыт, воспроизведение объекта познания, проверка гипотез и т. п.
В современной науке и технике нашли широкое распространение 
два подхода к эксперименту — физический и математический. При ма-
тематическом подходе эксперимент проводится виртуально, все явле‑
ния и процессы опираются на известные физические законы и опи‑
саны математическим аппаратом. Достоинство такого эсперимента:
· сравнительно низкая стоимость;
· высокая скорость проведения;
· высокая скорость внесения изменений.
Недостаток:
· не все явления и процессы имеют однозначное описание физи‑
ческими и математическими средствами (наиболее яркий при‑
мер — явление турбулентности);
· с ростом объема и детальности модели падает скорость проведе‑
ния эксперимента.
При физическом подходе эксперимент проводится над реальным объ‑
ектом в лабораторных или приближенных к ним условиях. Объекты 
могут быть как полномасштабными, так и модельными.
К достоинствам данного подхода можно отнести:
· наибольшую достоверность полученных результатов;
· возможность исследовать сложные, комплексные явления.

1. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования

К недостаткам относятся:
· высокая стоимость;
· высокая длительность;
· сложность или невозможность организации измерений в произ‑
вольных точках объекта.
В данном пособии рассматриваются особенности физического под‑
хода к экспериментальным исследованиям газоперекачивающих агре‑
гатов.

1.2. Виды испытаний ГТУ

В действительности существует деление экспериментальных ис‑
следований на различные виды, при этом классификация может  
варьироваться в зависимости от отрасли и приоритетов, предъявляе‑
мых к данному устройству. Приведем классификацию, характерную 
для ГТУ (ГПА) и ГТД:
· научно‑исследовательские работы (НИР);
· опытные испытания;
· серийные испытания;
· эксплуатационные испытания.
Рассмотрим каждый вид более подробно и определим, для каких 
этапов разработки ГПА характерны данные исследования и на базе 
каких исследовательских организаций они проводятся.

1.2.1. Научно-исследовательские работы

Цели таких исследований — изучение и анализ процессов и явле‑
ний в ГТУ. При этом изучаются:
· термодинамические процессы;
· газодинамические процессы;
· процессы горения;
· статическая, динамическая и термопрочность деталей;
· характеристики отдельных узлов.
Как правило, научно‑исследовательские работы проводят в следу‑
ющих обстоятельствах:

1.2. Виды испытаний ГТУ

· при разработке принципиально новых конструкций;
· при существенном росте параметров (температуры, давления);
· в целях достижения предельных показателей;
· при выявлении необычного поведения или необъяснимых, ис‑
ходя из опытных представлений, фактов.
Как правило, при научно‑исследовательских работах исследуются 
отдельные явления, деталь, процесс, узел, фактор, параметр. Приве‑
дем для примера ряд подобных объектов исследований:
· входное устройство;
· диффузор;
· камера сгорания;
· сопловой аппарат;
· подшипник и т. д.
Как правило, научно‑исследовательские работы проводят на мо‑
делях, построенных на основе теории подобия, что дает значитель‑
ную экономию вследствие меньших энергетических и материальных 
затрат. Однако известно, что ряд явлений и узлов возможно исследо‑
вать только на полноразмерных устройствах.
Результатом НИР являются знания о характере протекания процес‑
сов и причинах возникновения явлений. Такие знания развивают те‑
орию процессов и методы расчетов.
НИР проводят в НИИ РАН, вузах, исследовательских подразделе‑
ниях КБ и заводов.

1.2.2. Опытные испытания

Цель опытных испытаний (ОИ) — отработка рабочего процесса 
и конструкции ГТУ. Как правило, проводятся на головном образце 
ГТУ, т. е. на реально сконструированной и изготовленной машине 
и обычно на заводском стенде.
При ОИ используются результаты НИР. Нередко ОИ заменяют 
НИР при невозможности воспроизведения явления вне конструкции 
ГТУ из‑за его сложности, комплексности, взаимовлияния факторов 
(радиальные, осевые зазоры, вибрации, помпаж).
ОИ включают в себя:
· доводочные испытания узлов и агрегатов;
· доводочные испытания машин;

1. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и вспомогательного оборудования

· технологические длительные испытания;
· приемочные испытания.
ОИ проводятся не в лабораторных условиях, а на заводских полно‑
размерных стендах; опытно‑промышленных установках; опытно‑про‑
мышленных станциях; ГПА — на ГКС; энергетические ГТУ — на элек‑
тростанциях.
ГТУ при ОИ имеют полноразмерные воздухозаборные и выхлоп‑
ные устройства с реальными сопротивлениями. Нагрузка обеспечи‑
вает развитие и потребление полной мощности. ГТУ при ОИ испы‑
тывает реальное воздействие окружающей среды.
Задачи доводочных испытаний:
· отладка рабочего процесса, согласование характеристик узлов 
и агрегатов;
· доводка конструкции узлов и агрегатов;
· проверка правильности выбора материалов;
· проверка правильности выбора технологии изготовления дета‑
лей;
· проверка правильности технологии сборки и разборки;
· проверка и наладка штатных измерительных устройств;
· доводка параметров ГТУ на различных режимах до величин, ука‑
занных в требованиях заказчика.
При ОИ, проводимых на опытно‑промышленных станциях, про‑
изводится включение агрегата в сеть:
· на ГКС в ЕГТС;
· на ЭС в энергосистему.
Режимы работы при ОИ характеризуются кратковременностью, 
частыми пусками и остановами, что создает дополнительную нагруз‑
ку на детали и узлы и позволяет выявить слабые, малонадежные ме‑
ста. Выявляемые дефекты устраняются, после чего ГТУ снова прохо‑
дит испытания.
Проведение ОИ на стенде завода‑изготовителя удобно для участия 
в них высококвалифицированных специалистов‑разработчиков ГТУ.
После завершения доводочных испытаний ГТУ проводятся прие‑
мочные (ранее — государственные) испытания. Приемочные испы‑
тания проводят в тех же условиях, что и ОИ, но по специальной про‑
грамме. Режимы испытаний, их длительность во времени и порядок 
чередования подбирают так, чтобы работа ГТУ во время испытаний 
наиболее соответствовала условиям будущей эксплуатации.

1.2. Виды испытаний ГТУ

Результаты приемочных испытаний оцениваются комиссией заказ‑
чика на предмет соответствия техническому заданию и служат осно‑
ванием для организации серийного производства.
После организации серийного производства ОИ не прекращают‑
ся. Цели их продолжения:
· доводка ГТУ для устранения дефектов, выявляемых в реальной 
эксплуатации;
· разработка предложений по модернизации ГТУ для улучшения 
характеристик.

1.2.3. Серийные испытания

Серийные испытания организуются на заводах‑изготовителях по‑
сле организации серийного выпуска ГТУ.
Условия серийных испытаний близки к условиям эксплуатации 
по полноте схемы ГТУ и воздействию окружающей среды.
Серийные испытания бывают:
· сдаточные;
· контрольные;
· длительные.
В стационарном газотурбостроении проводят лишь сдаточные ис‑
пытания. Этому виду испытаний подвергается каждая изготовленная 
заводом ГТУ.
Цели сдаточных испытаний:
· проверка качества изготовления и приработки деталей;
· проверка правильности сборки;
· проверка режимных данных (соответствие паспортным характе‑
ристикам);
· выявление и устранение дефектов производства.
После сдаточных испытаний стационарные ГТУ консервируются 
для транспортировки на место эксплуатации.
Контрольные и длительные испытания проводят в отраслях авиа‑

двигателестроения.
Контрольные испытания проводятся после переборки двигателя, 
следующей за сдаточными испытаниями. Во время контрольных ис‑
пытаний не должно быть никаких отказов и дефектов.