The gas turbine // Turbina gazowa
1
Division of Metrology and Power Processes Automation
Faculty of Energy and Environmental Engineering
Institute of Power Engineering and Turbomachinery
Wydział Inżynierii Środowiska I Energetyki
Instytut Maszyn I Urządzeń Energetycznych
The gas turbine
Turbina gazowa
Laboratory of Power Turbomachinery Measurements
Laboratorium Pomiarów Maszyn Energetycznych
(PM-4, PM-5)
Prepared // Opracował: dr inż. Daniel Węcel
Checked // Sprawdził: dr inż. Sebastian Lepszy
Approved // Zatwierdził: prof. dr hab. inż. Janusz Kotowicz
www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape
The gas turbine // Turbina gazowa
2
1. AIM OF THE EXERCISE // CEL ĆWICZENIA
The aim of the classes is to familiarize students with the structure, basic parameters and the
testing methodology of turbine combustion engines (gas turbines). The testing will make it
possible to determine the turbine operating characteristics at different parameters of the device
operation.
// Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z konstrukcją, podstawowymi parametrami i
metodologią badań turbinowych silników spalinowych (turbin gazowych). Przeprowadzone
badania pozwolą na wykonanie charakterystyk pracy turbiny przy różnych parametrach pracy.
2. INTRODUCTION// WSTĘP
2.1. Description of gas and micro gas turbines // Charakterystyka turbin
oraz mikroturbin gazowych
Gas turbines (turbine combustion engines) are rotating thermal internal combustion engines.
They can be fired with gas or liquid fuels (dual-fuel operation is also possible) (Fig. 1).
// Turbiny gazowe (spalinowe silniki turbinowe) są silnikami cieplnymi wirnikowymi ze
spalaniem wewnętrznym i mogą być opalane paliwami gazowymi lub ciekłymi (mogą też
pracować w systemie dwupaliwowym) (Rys.1).
Fig. 1 Simple diagram of a gas turbine system.
//Rys.1 Prosty schemat układu turbiny gazowej
The simplest gas turbine thermal system operates as the Brayton-Joule cycle. Like the Clausius-
Rankine cycle, it consists of two isobaric and two isentropic processes (Fig. 2).
The gas turbine // Turbina gazowa
3
// W najprostszym układzie cieplnym z turbiną gazową jest realizowany obieg Braytona-Joule'a.
Składa się on, podobnie jak obieg Clausiusa–Rankine’a z dwóch izobar i dwóch izentrop
(Rys.2).
Fig. 2 Example Brayton cycle in an h-s chart
//Rys.2 Przykład obiegu Braytona na wykresie h-s
According to the second law of thermodynamics, the cycle of a real power plant differs from
the reference cycle due to losses. As the working medium flows through the power plant
elements, pressure drops occur together with increments in entropy during the gas compression
and expansion in the compressor and in the turbine, respectively. Fig. 3 presents the real power
plant cycle in the h-s coordinates.
// Obieg siłowni rzeczywistej różni się od obiegu porównawczego, w myśl drugiej zasady
termodynamiki, ze względu na występowanie strat. Dochodzi zarówno do spadków ciśnień
podczas przepływu czynnika przez elementy siłowni jak i do przyrostu entropii podczas
sprężania gazu w sprężarce i rozprężania go w turbinie. Obieg siłowni rzeczywistej
przedstawiony jest we współrzędnych h–s na Rys.3.
The gas turbine // Turbina gazowa
4
Fig. 3 Real power plant example cycle in an h-s chart
//Rys.3 Przykład obiegu rzeczywistej siłowni gazowej na wykresie h–s
In the most common open version, the gas system operation consists in taking in cold air from
the environment and pressurizing it in the compressor. The air is then heated in the combustion
chamber. The process involves direct combustion of fuel in compressed air, which produces
exhaust gases with an appropriate temperature. The heated medium then expands in the turbine.
As a result, some of its enthalpy is converted to mechanical work transferred by the turbine
shaft. The work is needed to drive both the compressor and the electric generator.
// Działanie układu gazowego, w najczęściej spotykanej wersji otwartej, polega na zassaniu
chłodnego powietrza z otoczenia i sprężeniu go w sprężarce. Następnie jest ono ogrzewane w
komorze spalania. Proces ten polega na bezpośrednim spalaniu paliwa w sprężonym powietrzu,
w wyniku czego otrzymywany jest gaz spalinowy o odpowiedniej temperaturze. Ogrzany
czynnik rozpręża się następnie w turbinie, w wyniku czego dochodzi do zamiany części jego
entalpii na pracę mechaniczną, przekazywaną na wał wirnika turbiny. Praca ta służy zarówno
do napędu sprężarki jak i generatora elektrycznego.
There are various systems of the gas power plant. In the simplest form, the entire turbine and
the entire compressor are mounted on a single shaft connected to the electric generator shaft
through a coupling. For aerodynamic reasons, this is not the optimal solution. A slightly better
option is to use a single shaft to combine a part of the turbine and the entire compressor. This
turbine part drives the compressor only. The other part is used to drive the electric generator.
There are also more sophisticated solutions, e.g. the compressor LP part is driven by the turbine
IP part, the compressor HP part – by the turbine HP part, and the turbine LP part drives the
3 p3
2
1
4
p1
p2
p4
The gas turbine // Turbina gazowa
5
generator. The more divided the power plant system, the more staging there is in the machinery
rotational speed. It is therefore possible that some subassemblies of the machine will operate
with rotational speeds closer to optimal values, which has a favourable impact on the system
efficiency. This, however, involves a rise in investment costs. The best solution should be
selected based on the results of an economic analysis.
// Spotykane są różne układy siłowni gazowych. W rozwiązaniu najprostszym cała turbina i cała
sprężarka osadzone są na jednym wale, który poprzez sprzęgło połączony jest z wałem
generatora elektrycznego. Nie jest to rozwiązanie optymalne ze względów aerodynamicznych.
Nieco lepszym rozwiązaniem jest połączenie jednym wałem części turbiny i całej sprężarki. Ta
część turbiny napędza tylko sprężarkę. Druga natomiast – generator elektryczny. Bywają także
rozwiązania bardziej skomplikowane, np. część niskoprężna sprężarki napędzana jest częścią
średnioprężną turbiny, część wysokoprężna sprężarki częścią wysokoprężną turbiny, a część
niskoprężna turbiny napędza generator. Im układ siłowni bardziej podzielony, tym większe jest
stopniowanie prędkości maszyn. Możliwa jest więc praca poszczególnych podzespołów
maszyny z prędkościami obrotowymi bliższymi optymalnym, co wpływa korzystnie na
sprawność układu. Wiąże się to niestety ze wzrostem kosztów inwestycyjnych. O wyborze
rozwiązania powinna decydować ścisła analiza ekonomiczna.
2.2. Advantages of power engineering installations with gas turbines: //
Zalety energetycznych instalacji turbin gazowych:
reliability of operation // niezawodność działania,
high thermal flexibility = a short starting time (they can be brought to full-load operation
in several minutes) // duża elastyczność cieplna = krótki czas rozruchu (można je
doprowadzić do pełnego obciążenia w kilka minut),
long service life (of up to 200,000 hours) // znaczna żywotność (nawet do 200 tys. godz.),
light and compact structure // lekkość i zwartość budowy,
favourable ecological and economic characteristics // korzystne charakterystyki
ekologiczne i ekonomiczne,
ease of service and automation of operating processes // łatwość obsługi i automatyzacji
procesów eksploatacyjnych,
possibility of operation within different technological systems, and with different
working mediums // możliwość pracy w różnych układach technologicznych, a także z
różnym czynnikiem roboczym,
possibility of using different fuels // możliwość zasilania różnymi paliwami.
In the power sector, gas turbines usually operate within gas-steam systems whose electricity
generation efficiency exceeds 55%. They are used in combined systems generating both heat
and electricity.
The gas turbine // Turbina gazowa
6
// W energetyce turbiny gazowe zwykle pracują w układach gazowo-parowych, osiągających
sprawność wytwarzania energii elektrycznej powyżej 55%. Są wykorzystywane w układach
generacji ciepła i energii elektrycznej.
3. TURBINE UNDER ANALYSIS // BADANA TURBINA
The tested device is a GTD-350 turbine engine designed to drive the Mi-2 helicopter. It is a
two-shaft engine made of an eight-stage compressor (seven axial stages, the eighth stage is a
centrifugal one) with a bleed valve between the sixth and the seventh stage and a bladeless
diffuser, a jug-like annular reverse-flow combustion chamber, a three-stage turbine (one stage
drives the compressor through the internal shaft while the next two make up the power turbine
unit). Using an external shaft, the power turbine transmits power to the engine integral reduction
gear, and then – to the output shaft. The GTD-350 engine includes the following integral
elements: a gearbox, an NR-40T fuel pump, a generator starter, the power turbine rpm limiter,
the turbine synchronizer (used if two engines operate in parallel), a system of oil pumps with
oil filters, a revolution counter, an air bleed automatic controller, a starting-fuel valve, a
working and a starting injector, an ignition plug, a set of thermocouples measuring gas
temperatures upstream the turbine first stage (turbine combined with a compressor) (cf. Fig. 4).
// Przedmiotem badań jest silnik turbinowy GTD-350 zaprojektowany do napędu śmigłowców
Mi-2. Jest to silnik dwuwałowy. Składa się z: ośmiostopniowej sprężarki (siedem stopni
osiowych, ósmy stopień odśrodkowy) z zaworem upustowym pomiędzy szóstym a siódmym
stopniem i dyfuzorem bezłopatkowym; komory spalania dzbanowo-pierścieniowej z
przepływem zwrotnym; trzystopniowej turbiny (jeden stopień napędza poprzez wał wewnętrzny
sprężarkę, dwa stopnie następne stanowią zespół turbiny napędowej). Turbina napędowa
poprzez zewnętrzny wał przekazuje moc na integralny reduktor silnikowy, a następnie na wał
wyjściowy. Integralnymi elementami silnika GTD-350 są: skrzynia przekładniowa (skrzynka
napędów), pompa paliwowa NR-40T, prodnico-rozrusznik, ogranicznik obrotów turbiny
napędowej, synchronizator turbiny (stosowany przy równoległej pracy dwóch silników), układ
pomp olejowych wraz z filtrami oleju, obrotomierz, automat sterowania upustem powietrza,
zawór paliwa rozruchowego, wtryskiwacz roboczy i rozruchowy, świeca zapłonowa, zestaw
termopar do pomiaru temperatury gazów przed pierwszym stopniem turbiny (turbina połączona
ze sprężarką) (Rys.4).
The gas turbine // Turbina gazowa
7
FUEL PUMP PNRP-2
COMPRESSOR
PO
WER
TUB
INE
CO
MP
RESSO
R
TUB
INE
POWER TURBINE RPM CONTROLLER
GEARBOX
COMBUSTION CHAMBER
IGNITER
WORKING INJECTOR
AIR PIPE
THERMOCOUPLE
EXHAUST GAS OUTLET
BLEED VALVE
POWER OUTPUT
Fig. 4 Cross-section of the GTD-350 turbine engine.
//Rys.4 Przekrój silnika turbinowego GTD-350
Basic parameters of the engine operation // Podstawowe parametry pracy silnika:
power // moc:
o maximum power // startowa: 294.2 kW for 43,200 rpm (turbocompressor //
turbosprężarka),
o nominal power // nominalna: 235.4 kW for 40,500 rpm (turbocompressor //
turbosprężarka),
turbocompressor maximum rotational speed // maksymalna. prędkość obrotowa
turbosprężarki: 45,000 rpm,
power turbine maximum rotational speed // maksymalna prędkość obrotowa turbiny
napędowej: 25,000 rpm,
output shaft maximum rotational speed // maksymalna prędkość obrotowa wału
wyjściowego: 6140 rpm,
maximum fuel consumption (aviation kerosene) // maksymalne zużycie paliwa (nafta
lotnicza): 0.415 kg/KM h (160 kg/h),
maximum permissible temperature upstream the turbine // maksymalna dopuszczalna
temperatura przed turbiną: 1243 K,
air mass flow through the compressor // natężenie przepływu powietrza przez sprężarkę:
2.4 kg/s,
compressor pressure ratio (maximum) // spręż sprężarki (max.): 6.05.
Dry engine dimensions and weight // Wymiary i ciężar suchego silnika:
The gas turbine // Turbina gazowa
8
engine length // długość silnika: 1385 mm,
engine width // szerokość silnika: 626 mm,
engine height // wysokość silnika: 760 mm,
dry engine weight // ciężar suchego silnika: 137.7+2% kg.
4. DESCRIPTION OF THE TEST STAND AND THE TESTING // OPIS
STANOWISKA I REALIZOWANE BADANIA
4.1. Aim of the testing // Cel badań
The gas turbine can be tested to achieve the following goals:
determine the power value on the shaft,
determine unit fuel consumption,
determine the system efficiency,
prepare the gas turbine characteristics,
draw up the energy balance.
// Celem badań turbiny gazowej może być:
określenie mocy na wale,
określenia jednostkowego zużycia paliwa,
określenie sprawność systemu (układu),
sporządzenie charakterystyk turbiny gazowej,
sporządzenie bilansu energetycznego.
4.2. Description of the test stand // Opis stanowiska badawczego
The test stand includes the following elements (cf. Fig. 5):
a GTD-350 gas turbine (with a servomechanism to control the amount of fed fuel and
a pneumatic actuator for the fuel cut-off valve),
air-feeding pipeline (with the air flow measuring system),
a duct carrying exhaust gas to the chimney (with an induced-draught fan),
a starting system (a set of four 12V batteries, a starting box and a set of starting-
control relays, a timer-distributor, measuring instruments),
a fuel system (fuel tank, pump, manometer, non-return valve, set of filters,
flowmeter),
an oil system (oil tank, oil cooler, meters),
an EMX-400/3000 eddy-current brake (with the brake cooling system); maximum
absorbed power – 400kW,
the brake load control system (brake controllers),
measuring system (cf. Fig. 6),
a control cabinet supplying the whole stand and enabling control of the drives of the
stand individual systems,
a control switchboard (the turbine on/off switches),
The gas turbine // Turbina gazowa
9
a cooling water supply system.
// W skład stanowiska badawczego wchodzą następujące elementy (Rys.5):
turbina gazowa GTD-350 (z serwomechanizmem do regulacji ilości podawanego
paliwa i siłownikiem pneumatycznym do zaworu odcinającego dopływ paliwa),
rurociąg doprowadzający powietrze (z układem pomiarowym strumienia powietrza),
kanał wyprowadzenia spalin do komina (z wentylatorem podmuchu),
układ rozruchowy (zestaw 4 akumulatorów 12 V, skrzynka rozruchowa i zestaw
przekaźników sterujących rozruchem, aparat zapłonowy, przyrządy pomiarowe),
układ paliwowy (zbiornik, pompa paliwowa, manometr, zawór zwrotny, zestaw filtrów,
przepływomierz),
układ olejowy (zbiornik oleju, chłodnica oleju, przyrządy pomiarowe),
hamulec elektrowirowy EMX-400/3000 o max. mocy pochłanianej 400 kW (z układem
chłodzenia hamulca),
układ sterowania obciążeniem hamulca (sterowniki hamulca),
system pomiarowy (Rys.6),
szafa sterownicza zasilająca całe stanowisko i pozwalająca sterować napędami
poszczególnych układów stanowiska,
tablica sterownicza (przełączniki do uruchamiania i wyłączania turbiny),
układ doprowadzający wodę chłodzącą.
4.3. 4.3. Quantities measured during the turbine steady-state operation
under load // Wielkości mierzone w trakcie ustalonej pracy turbiny pod
obciążeniem
power on the output (driving) shaft // moc na wale wyjściowym (napędowym) – Pe,
exhaust gas generator (turbine compressor) rotational speed // prędkość obrotowa
wytwornicy spalin (turbiny sprężarki) – nWS,
power turbine rotational speed // prędkość obrotowa turbiny napędowej – nTN,
exhaust gas temperature downstream the combustion chamber // temperatura spalin za
komorą spalania – T3,
exhaust gas temperature at the turbine outlet // temperatura spalin na wylocie z turbiny
– T4,
pressure ratio // spręż – εs,
air volume flow at the compressor inlet // strumień powietrza na wlocie do sprężarki –
qv1,
fuel pressure upstream the injectors (bleed control) // ciśnienie paliwa przed
wtryskiwaczem (kontrola upustu) – ppalw,
fuel pressure upstream the fuel pump // ciśnienie paliwa przed pompą paliwową – ppalr,
oil pressure in the engine // ciśnienie oleju w silniku – pol,
oil temperature at the engine inlet // temperatury oleju na wejściu do silnika – Tol1,
oil temperature at the engine outlet // temperatury oleju na wyjściu z silnika – Tol2,
The gas turbine // Turbina gazowa
10
fuel volume flow // strumień objętości paliwa – qvpal,
water temperature at the brake inlet // temperatura wody na wejściu do hamulca – Twh1,
water temperature at the brake outlet // temperatura wody na wyjściu z hamulca – Twh2,
water volume flow at the brake inlet // strumień objętości wody na wejściu do hamulca
– qvwh.
Fig. 5 Testing installation flowchart.
//Rys.5 Schemat instalacji badawczej
4.3.1. Measurement of inlet air parameters // Pomiar parametrów
powietrza wlotowego temperatury i ciśnienia
As needed (to determine the balance or characteristics), measurements should be performed of
the air temperature, pressure and humidity upstream the GTD-350 engine compressor inlet.
Temperature t1 can be measured using metal resistance thermometers (e.g. Pt100), pressure p1
should be measured on the inlet pipeline wall using two-arm (U-tube) manometers or pressure
transducers; humidity is to be measured in the inlet channel using a capacitance hygrometer..
// W zależności od potrzeb (do wykonania bilansu lub charakterystyk) należy zmierzyć
temperaturę, ciśnienie i wilgotność powietrza przed wlotem do sprężarki silnika GTD-350.
Pomiar temperatury t1 można wykonać za pomocą termometrów rezystancyjnych metalowych
(np. Pt100), ciśnienie p1 należy zmierzyć na ściance rurociągu wlotowego za pomocą
manometrów dwuramiennych (U-rurka) lub przetworników ciśnienia, wilgotność zmierzyć w
kanale wlotowym higrometrem pojemnościowym.
4.3.2. 4.3.2. Measurement of the air volume flow // Pomiar strumienia
powietrza – qv1,
Fuel supply control //
Sterowanie
dopływem paliwa
Load control system
// Układ sterowania
obciążeniem
Measuring system //
System pomiarowy
GTD-350
Fuel tank //
Zbiornik z paliwem
Starting system //
Układ rozruchowy
Chimney //
Komin
Cooling water //
Woda chłodząca
Exhaust gases
// Spaliny
Air // Powietrze
Cooling water
// Woda
chłodząca
Oil tank //
Zbiornik oleju
Oil cooler //
Chłodnica oleju
Eddy-current brake //
Hamulec
elektrowirowy
The gas turbine // Turbina gazowa
11
The air volume flow qv1 is measured at the compressor inlet, where the inlet (lemniscate) nozzle
is located. On the nozzle perimeter there are impulse holes receiving static pressure Δp1, which
is averaged in a cumulative ring and measured using a two-arm (U-tube) liquid manometer. The
air volume flow qv1 is calculated using the following relation
//Strumień powietrza qv1 jest mierzony na wlocie do sprężarki, gdzie znajduje się dysza wlotowa
(lemniskatowa). Na obwodzie dyszy znajdują się otwory impulsowe odbierające ciśnienie
statyczne Δp1, które jest uśrednianie w pierścieniu zbiorczym i jest mierzone za pomocą
manometru dwuramiennego cieczowego (U-rurki). Strumień powietrza qv1 jest obliczany z
następującej zależności:
1
2
1
2
4
pdqv
[m3/s]
where // gdzie:
d - inlet nozzle diameter // średnica dyszy wlotowej (d = 135 mm),
ρ - air density // gęstość powietrza.
The air density is calculated from the following formula // Gęstość powietrza obliczana jest ze
wzoru:
1
1
Tp
Tpp
n
np
n
[kg/m3]
where // gdzie:
φ - air humidity // wilgotność powietrza,
T1 - air temperature // temperatura powietrza,
p1 - air absolute pressure // ciśnienie bezwzględne (absolutne) powietrza,
pp - pressure of saturated water vapour in temperature // ciśnienie nasyconej pary wodnej w
temperaturze T1.
Pressure p1 is measured using a two-arm (U-tube) liquid manometer filled with water. Absolute
suction pressure is calculated using the following formula // Ciśnienie p1 jest mierzone za
pomocą manometru dwuramiennego cieczowego (U-rurki) wypełnionego wodą. Ciśnienie
bezwzględne na ssaniu obliczamy ze wzoru:
The gas turbine // Turbina gazowa
12
𝑝1 = 𝑝𝑜 − ∆ℎ1 ∙ 𝛾𝐻2𝑂 [Pa]
where // gdzie:
po [Pa] – ambient pressure // ciśnienie otoczenia,
Δh1 [m H2O] – level difference between the U-tube arms // różnica poziomów w U-rurce,
OH2 [N/m3] – specific weight of water // ciężar właściwy wody.
If the gas turbine balance or characteristics are made, it is necessary to convert the volume flow
rate to the mass flow rate ( qm).
// W przypadku sporządzenia bilansu turbiny gazowej lub tworzenia charakterystyk konieczne
jest przeliczenie strumienia objętości na strumień masy qm.
4.3.3. Compressor pressure ratio // Spręż sprężarki
The pressure ratio is defined as the ratio between the pressure values at the compressor outlet
and inlet // Spręż określa się, jako stosunek ciśnienia za sprężarką do ciśnienia na wlocie:
1
2
p
pS
where // gdzie:
p2 – air absolute pressure downstream the compressor // ciśnienie bezwzględne powietrza za
sprężarką,
p1 – air absolute pressure at the inlet // ciśnienie bezwzględne powietrza na wlocie.
4.3.4. Power on the output (driving) shaft // Moc na wale napędowym
The (effective) power on the driving shaft Pe is the mechanical power transmitted to the EMX
201/400 eddy-current brake. Depending on the braking force, a different load of the turbine and
a different power value on the driving shaft are obtained. The power is determined by measuring
torque and angular speed on the brake.
// Moc na wale napędowym Pe (efektywna) jest to moc mechaniczna przekazywana przez turbinę
do hamulca elektrowirowego EMX 201/400. W zależności od siły hamowania uzyskuje się różne
obciążenie turbiny i różną moc na wale napędowym. Moc ta jest mierzona poprzez pomiar
momentu obrotowego i prędkości kątowej na hamulcu.
MPe [W]
The gas turbine // Turbina gazowa
13
The brake housing is supported on bearings (brake cradle) enabling rotation around the driving
shaft axis (the brake rotor). The housing is locked using a dynamometer located at the distance
of r = 567 mm from the rotor axis. The force measurement by means of a tensiometric
dynamometer makes it possible to calculate the torque on the shaft.
// Korpus hamulca jest podparty na łożyskach (kołysce) pozwalających na ruch obrotowy wokół
osi wału napędowego (wirnika hamulca). Blokowanie korpusu realizuje się poprzez siłomierz
znajdujący się w pewnej odległości r = 567 mm od osi wirnika. Pomiar siły siłomierzem
tensometrycznym pozwala obliczyć moment obrotowy na wale.
rFM [Nm]
The driving shaft rotational speed n [rpm] is measured on the brake using an inductive
transducer. Angular speed is calculated from the following relation:
// Prędkość obrotowa n [obr/min] wału napędowego jest mierzona na hamulcu za pomocą
przetwornika indukcyjnościowego. Prędkość kątowa obliczane jest z zależności:
n60
2 [rad/s]
4.3.5. Exhaust gas temperature downstream the combustion chamber
// Temperatura spalin za komorą spalania – T3
Temperature T3 of exhaust gases downstream the combustion chamber is measured using 8
thermoelectric thermometers with a bare junction (type K thermocouples) connected in parallel,
which makes it possible to obtain the mean temperature value before the turbine first stage.
// Temperatura spalin za komorą spalania T3 mierzona jest za pomocą 8 termometrów
termoelektrycznych z odsłoniętą spoiną (termopary typu K) połączonych równolegle, w wyniku
czego uzyskuje się średnią temperaturę przed pierwszym stopniem turbiny.
4.3.6. Exhaust gas temperature at the turbine outlet // Temperatura
spalin na wylocie z turbiny – T4
Temperature T4 of exhaust gases at the turbine outlet is measured using a thermoelectric
thermometer (type K thermocouple) located in one of the gas turbine outlet nozzles.
// Temperatura spalin na wylocie z turbiny T4 mierzona jest za pomocą termometru
termoelektrycznego (termopara typu K) umieszczonego w jednej z dysz wylotowych turbiny
gazowej.
4.3.7. Exhaust gas generator (compressor turbine) rotational speed //
Prędkość obrotowa wytwornicy spalin (turbiny sprężarki) – nWS
The gas turbine // Turbina gazowa
14
The turbine compressor rotational speed nWS is measured using the compressor revolution
counter (nobr), which is mounted on the gearbox. Using a set of gears, the revolution counter is
connected by means of the internal shaft driving the compressor. The transmission ratio
between the compressor shaft and the revolution counter is 17.98.
// Prędkość obrotowa turbiny sprężarki nWS jest mierzona za pośrednictwem obrotomierza
sprężarki nobr, który jest zamontowany na skrzynce przekładniowej (napędów). Obrotomierz
poprzez zespół kół zębatych połączony jest wałem wewnętrznym napędzającym sprężarkę.
Przełożenie między wałem sprężarki, a obrotomierzem wynosi 17.98.
obrWS nn 98.17 [rpm // obr/min]
The revolution counter scale is in percentages of the maximum rotational speed, which on the
revolution counter shaft totals 2503 rpm.
// Miernik obrotomierza jest wyskalowany w procentach maksymalnej prędkości obrotowej,
która na wale obrotomierza wynosi 2503 obr/min.
4.3.8. Power turbine rotational speed // Prędkość obrotowa turbiny
napędowej – nTN,
The power turbine rotational speed nTN is measured using the brake rpm counter (n). The rpm
counter measures rotational speed of the driving shaft, which is connected to the power turbine
external shaft by means of a gear transmission. The transmission ratio between the power
turbine shaft and the brake revolution counter is 4.064.
// Prędkość obrotowa turbiny napędowej nTN jest mierzona za pośrednictwem obrotomierza
hamulca (n). Obrotomierz ten mierzy prędkość obrotową wału napędowego, który przez
przekładnię zębatą połączony jest wałem zewnętrznym turbiny napędowej. Przełożenie między
wałem turbiny napędowej, a obrotomierzem hamulca wynosi 4.064.
nnTN 064.4 [rpm // obr/min]
4.3.9. Fuel pressure upstream the fuel pump // Ciśnienie paliwa przed
pompą paliwową – ppalr
The fuel pressure upstream the NR-40T fuel pump is measured using a manometer located
downstream the pump supplying fuel from the fuel tank to the fuel installation. The fuel
pressure value at the engine inlet should be included in the range of 39.2÷117.7 kPa.
// Ciśnienie paliwa przed pompą paliwową NR-40T jest mierzone za pomocą manometru
znajdującego się za pompą podającą paliwo ze zbiornika paliwa do instalacji paliwowej.
Ciśnienie paliwa na wejściu do silnika powinno być w granicach 39.2÷117.7 kPa.
The gas turbine // Turbina gazowa
15
4.3.10. Oil system parameters // Parametry układu olejowego
The gas turbine bearings and gears are lubricated with AeroShell Turbine Oil 500. The oil main
parameters measured during the turbine operation are: oil pressure in the engine: pol and oil
temperatures at the engine inlet and outlet: Tol1 and Tol2, respectively. The pressure is measured
using a 0÷10 bar pressure transducer, whereas the temperatures are measured using metal
resistance thermometers. The oil pressure required value should be included in the range of
2÷3 bar, and the outlet temperature should not be higher than 140°C.
// Łożyska oraz koła zębate turbiny gazowej są smarowane olejem AeroShell Turbine Oil 500.
Głównymi parametrami oleju mierzonymi podczas pracy turbiny jest ciśnienie oleju w silniku
pol oraz temperatury oleju na wejściu Tol1 i na wyjściu z silnika Tol2. Ciśnienie jest mierzone
przetwornikiem ciśnienia o zakresie 0÷10 bar, a temperatury termometrami rezystancyjnymi
metalowymi. Wymagane ciśnienie oleju powinno zawierać się w zakresie 2÷3 bar, natomiast
temperatura na wyjściu nie powinna przekraczać 140°C.
4.3.11. Fuel volume flow // Strumień objętości paliwa – qvpal
The fuel volume flow is measured upstream the turbine fuel pump (a PNRP-3 (NR-40T) plunger
pump with a flow controller) using an oval-circular flowmeter (with rotating toothed pistons).
Momentary fuel consumption and the fuel gauge state are shown on the display.
// Strumień objętości paliwa jest mierzony przed pompą paliwową (pompa nurnikowa
z regulatorem przepływu PNRP-3 (NR-40T)) turbiny, przy pomocy przepływomierza owalno-
kołowego (z wirującymi tłokami zębatymi). Chwilowe zużycie paliwa oraz stan licznika paliwa
pokazywany jest na wyświetlaczu.
4.3.12. Brake cooling water parameters // Parametry wody
chłodzącej hamulec
The eddy-current brake is cooled with water. The cooling process is controlled via
measurements of temperatures Twh1, Twh2 and the cooling water volume flow qvwh. If the water
temperature Twh2 rises above 40°C and the volume flow qvwh drops below the assumed value,
the load set by the brake controller is turned off. The temperature is measured using metal
resistance thermometers at the brake housing outlet, and the water volume flow is measured at
the brake inlet using a flowmeter
// Hamulec elektrowirowy jest chłodzony wodą. Odpowiednie chłodzenie jest kontrolowane
poprzez pomiar temperatury Twh1, Twh2 i strumienia wody chłodzącej qvwh. Wzrost
temperatury wody Twh2 powyżej 40°C oraz spadek przepływu qvwh poniżej założonej wartości
The gas turbine // Turbina gazowa
16
skutkuje wyłączeniem obciążenia zadawanego przez sterownik hamulca. Temperatura jest
mierzona termometrami rezystancyjnymi metalowymi na wylocie z korpusu hamulca, a
strumień objętości wody na wejściu do hamulca mierzony jest przepływomierzem.
Fig. 6 Diagram of the measuring points distribution.
//Rys.6 Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych
4.3.13. Starting current intensity and voltage // Natężenie prądu i
napięcie w trakcie rozruchu – Ir, Ur
It is recommended that the starting current voltage and intensity should be controlled. Too big
drops in voltage (below 16 V) on the starting system terminals indicate that the batteries are
low and should be charged. The starting current intensity at the beginning of the process should
not exceed 800 A; after the fuel is ignited and the turbine shafts are cranked, the value should
drop to ~400 A. The starting system switching off is signalled by the starting current decay.
// W trakcie rozruchu wskazane jest kontrolowanie napięcia i natężenia prądu rozruchowego.
Zbyt duże spadki napięcia na zaciskach układu rozruchowego (poniżej 16 V) wskazują na niski
stan naładowania akumulatorów i konieczność ich doładowania. Prąd rozruchowy na początku
rozruchu nie powinien przekraczać 800 A, a po zapłonie paliwa i rozkręceniu się wałów turbiny
powinien spaść do ok. 400 A. Wyłączenie układu rozruchowego sygnalizowane jest poprzez
zanik prądu rozruchowego.
The gas turbine // Turbina gazowa
17
4.3.14. Gas turbine efficiency (efficiency of the mechanical power
output)// Sprawność (wyprowadzenia mocy mechanicznej) turbiny
gazowej ηT
The gas turbine efficiency ηT is calculated as the ratio between the driving shaft power Pe and
the flux of the fuel chemical energy.
// Sprawność turbiny gazowej ηT jest liczona, jako stosunek mocy na wale napędowym Pe do
strumienia energii chemicznej paliwa.
100
vpald
eT
qW
P [%]
The turbine engine fuel is Jet A1 (aviation kerosene).
// W silniku turbinowym stosowane jest paliwo lotnicze Jet A1 (nafta lotnicza).
Table 1
Typical physical properties of Jet A1 fuel // Typowe własności fizyczne paliwa Jet-A1
Ignition temperature // Temperatura zapłonu 42 °C
Autoignition temperature // Temperatura samozapłonu 210 °C (410 °F)
Freezing point // Temperatura zamarzania -47 °C (-52.6 °F)
Density in the temperature of 15°C (59°F) //
Gęstość w temperaturze 15 °C (59 °F) 0.804 kg/l
Calorific value LHV (per kg) // Wartość opałowa na kg 43.15 MJ/kg
Calorific value LHV (per liter) // Wartość opałowa na litr 34.7 MJ/l
4.3.15. Exhaust loss // Strata wylotowa Q4
Because the exhaust gas temperature at the gas turbine outlet (T4) is relatively high, the exhaust
loss (Q4) is also high. It was assumed that the exhaust gas parameters correspond to the air
parameters.
// Temperatura spalin na wylocie z turbiny gazowej T4 jest stosunkowo wysoka, stąd wynika
duże strata wylotowa Q4. Założono, że parametry spalin odpowiadają parametrom powietrza.
𝑄4 = 𝑞𝑣1 ∙ 𝜌4 ∙ (𝑇4 − 𝑇1) ∙ 𝑐𝑝4
where // gdzie:
cp4 – air specific heat capacity in temperature T4 // ciepło właściwe powietrza w temperaturze
T4
ρ4 - air density in temperature T4 // gęstość powietrza w temperaturze T4 .
The gas turbine // Turbina gazowa
18
Table 2
Physical properties of dry air at a pressure 0.1013 MPa//
Właściwości fizyczne suchego powietrza przy ciśnieniu 0,1013 MPa
Temperature // Temperatura
Density // Gęstość
Specific heat capacity //
Ciepło właściwe
°C kg/m3 J/(kg·K)
300 0.615 1047
350 0.566 1059
400 0.524 1068
500 0.456 1093
600 0.404 1114
5. GTD-350 GAS TURBINE STARTING PROCEDURE // PROCEDURA
URUCHOMIENIA TURBINY GAZOWEJ GTD-350
5.1. Preparatory works // Prace przygotowawcze
Starting the GTD-350 gas turbine requires a series of preparatory activities. The first stage is
the stand inspection:
check that the air inlet channel is unobstructed (remove the strainer cover (the strainer
is outside the room));
check the shaft connecting the power turbine to the brake (rotate the shaft by hand – it
should turn smoothly in both directions);
check the batteries (measure the voltage on each of the 4 batteries; if the voltage is below
12.5V, the battery needs charging);
open the exhaust gas channel gate valve;
check the fuel level in the tank – the tank dimensions are 75x75x75 cm, the wall
thickness is 5 mm (1 mm corresponds to 0.555 l of fuel); the turbine must not be
started if the fuel tank contains less than 32 litres (58 mm) of fuel;
check the oil level in the tank – the tank dimensions are 25x25x50.5 cm, the wall
thickness is 5 mm (1 mm corresponds to 0.06 l of oil); the turbine must not be started
if the oil tank contains less than 8 litres (127 mm) of oil. However, the
recommended minimum amount of oil is 12.5 litres (199 mm);
ensure appropriate ventilation – activate the induced-draught fan in the chimney.
.
The gas turbine // Turbina gazowa
19
// Przed przystąpieniem do uruchomienia turbiny gazowej GTD-350 należy wykonać szereg
czynności przygotowawczych. Pierwszym etapem jest dokonanie przeglądu stanowiska:
Sprawdzić drożność kanału wlotowego powietrza (zdjęcie osłony na koszu ssawnym
znajdującym się na zewnątrz pomieszczenia);
Skontrolować wał łączący turbinę napędową z hamulcem (pokręcić ręcznie wał,
powinien obracać się płynnie w obu kierunkach);
Przeprowadzić kontrolę akumulatorów (zmierzyć napięcie na każdym z 4
akumulatorów, przy napięciu poniżej 12.5 V zaleca się podładowanie akumulatorów);
Otworzyć zasuwę kanału spalinowego;
Sprawdzić poziom paliwa w zbiorniku – wymiary zbiornika 75x75x75 cm, grubość
ścianek 5 mm (1 mm odpowiada 0,555 l paliwa). Przed uruchomieniem turbiny w
zbiorniku powinny znajdować się co najmniej 32 litry (58mm) paliwa;
Sprawdzić poziom oleju w zbiorniku – wymiary zbiornika 25x25x50,5 cm, grubość
ścianek 5 mm (1 mm odpowiada 0,06 l oleju). Przed uruchomieniem turbiny w
zbiorniku powinno znajdować się co najmniej 8 litrów (127mm) oleju, jednak zaleca
się zalanie zbiornika 12,5 litra (199mm) oleju.;
Zapewnić odpowiedni poziom wentylacji – uruchomić wentylator wyciągowy i
podmuchu spalin w kominie.
Before the next series of activities, switch on the control cabinet using the knob on the cabinet
left side. Go to individual circuits of the installation on the operator's panel. Next, prepare the
eddy-current brake for operation The following has to be done to ensure correct conditions of
the brake operation:
activate the pump in Room 22 (Hala Maszyn Cieplnych) feeding water to the cooling
installation and open the closed-cycle water valve (water is taken from a container next
to Room 22), or just open the mains water stop-cock;
check the water level in the brake reservoir (the water level in the brake reservoir should
be about 10 cm below the reservoir top edge);
activate the brake water-cycle pump (circuit K5) and check whether it operates correctly
(water temperature of about 17°C, water volume flow of about 5 m3/h).
.
// Przed wykonaniem kolejnych czynności należy włączyć szafę sterowniczą pokrętłem
znajdującym się z lewej strony szafy. Na panelu operatorskim przejść do poszczególnych
The gas turbine // Turbina gazowa
20
obwodów instalacji. Następnie należy przygotować hamulec elektrowirowy do pracy. W celu
zapewnienia prawidłowych warunków pracy hamulca należy:
Uruchomić pompę (znajduje się w pomieszczeniu nr 22 HMC) doprowadzającą wodę
do instalacji chłodzącej i otworzyć zawór wody obiegu zamkniętego (woda pobierana
jest ze zbiornika znajdującego się przy HMC) lub tylko otworzyć zawór wody sieciowej;
Sprawdzić poziom wody w zbiorniku hamulca (woda w zbiorniku hamulca powinna
znajdować się na wysokości około 10 cm niższej niż górna krawędź zbiornika).
Uruchomić pompę obiegu wodnego hamulca (obwód K5) oraz sprawdzić czy pracuje
prawidłowo (temperatury wody ok. 17°C, strumień wody ok. 5 m3/h);
Next, prepare the turbine fuel pump. Before the fuel pump is activated, the following has to be
done:
clean the tanks under the fuel pump;
twist off the tank cap (this will ensure air removal from the tank);
check whether the pump cut-off valve is closed;
turn on the fuel pump supply socket (circuit K7) on the control cabinet operator's panel
and then turn on the socket at the pump;
read the pressure indicated by the manometer at the pump – if the reading is within the
limits of 1.5 bar, the cut-off valve may be opened; pressure is set using the control valve
located under the manometer;
remove air from the fuel pipes and from the plunger pump using a deaeration device on
the plunger pump – this will ensure undisturbed supply of fuel to the turbine; a
continuous stream of fuel should be obtained at the device outlet (if the installation is
switched off properly, deaeration is unnecessary);
it is also recommended that the fuel pipes should be inspected for leaks.
.
// Następnie należy przygotować pompę podającą paliwo do turbiny. Przed uruchomieniem
pompy paliwa należy wykonać następujące czynności:
Wyczyścić zbiorniki pod pompą paliwa;
Odkręcić nakrętkę znajdującą się na zbiorniku (odkręcenie nakrętki zapewni
prawidłowe odpowietrzenie zbiornika);
Sprawdzić czy zawór odcinający na pompie jest zamknięty;
Włączyć gniazdo zasilające pompę paliwową (obwód K7) na panelu operatorskim szafy
sterowniczej, a następnie włączyć gniazdo znajdujące się przy pompie;
The gas turbine // Turbina gazowa
21
Odczytać ciśnienie na manometrze przy pompie, jeżeli odczytane ciśnienie jest w
okolicach 1,5 bara można otworzyć zawór odcinający. Ustawienie ciśnienia realizuje
się za pomocą zaworu regulacyjnego znajdującego się przed manometrem.
Odpowietrzyć przewody paliwa i pompę nurnikową za pomocą urządzenia
odpowietrzającego znajdującego się na pompie nurnikowej, zapewniając płynne
dostarczanie paliwa do turbiny. Na wylocie z urządzenia powinno uzyskać się ciągły
strumień paliwa (przy prawidłowym wyłączeniu instalacji nie ma potrzeby
odpowietrzania);
Zaleca się również wykonanie przeglądu przewodów paliwowych w celu sprawdzenia
czy nie występują przecieki.
The valve cutting off the fuel supply to the combustion chamber is controlled using a pneumatic
actuator. For this reason, the compressor has to be connected to the connector pipe on the stand
at the turbine.
Activate the exhaust gas ID-fan (circuit K8) and open the fan gate to ensure a correct outflow
of exhaust gases to the chimney.
Activate the measuring apparatus and the brake controllers (turn on the control socket – circuit
K6).
// Zawór odcinający dopływ paliwa do komory spalania jest sterowany za pomocą siłownika
pneumatycznego, dlatego należy podłączyć kompresor do króćca znajdującego się na stojaku
przy turbinie.
Włączyć wentylator podmuchu spalin (obwód K8) i otworzyć zasuwę wentylatora, aby zapewnić
prawidłowy wylot spalin do komina.
Uruchomić aparaturę pomiarową oraz sterowniki hamulca (włączyć Gniazdo serowania –
obwód K6).
5.2. Cold starting // Zimne pokręcenie
Before the turbine proper starting, the so-called cold starting has to be carried out. This consists
in using the starter to rotate the compressor shaft and all the devices coupled thereto to blow
out the combustion chamber and check the starting system and the oil pump operation. The cold
starting process is controlled through the starting box, which does not supply power to the
ignition plug and does not switch the batteries to in-series operation (in the 48V configuration).
The starting box cycle during a single instance of cold starting lasts 31-35 seconds.
// Przed wykonaniem właściwego rozruchu turbiny należy wykonać tzw. "zimne pokręcenie",
polegające na rozkręceniu wału sprężarki i wszystkich urządzeń z nim sprzęgniętych za pomocą
rozrusznika w celu: przedmuchania komory spalania, sprawdzeniu działania pompy olejowej i
The gas turbine // Turbina gazowa
22
sprawdzeniu układu rozruchowego. Proces zimnego pokręcenia jest sterowany poprzez
skrzynkę rozruchową, która nie włącza zasilania świecy zapłonowej oraz nie przełącza
akumulatorów na pracę szeregową (w układzie 48 V). Czas cyklu skrzynki rozruchowej podczas
jednego zimnego pokręcenia wynosi 31-35 sekund.
Cold starting is performed at a closed cut-off valve. The master switch on the control
switchboard should be put in position “I”, then the switch should be set to “ZIMNE
POKRĘCENIE”. The cut-off valve switch should be set to “WYŁ”. By pressing the
“URUCHOM” button for 2 seconds, the cold starting process is initiated; the process ends
automatically.
// Zimne pokręcenie wykonywane jest przy zamkniętym zaworze odcinającym. Na tablicy
sterowniczej należy wyłącznik główny przestawić w położenie "I", a następnie ustawić
przełącznik na „zimne pokręcenie”. Przełącznik „zaworu odcinającego” powinien być
ustawiony w położeniu „wył.”. Przytrzymanie przycisku "Uruchom" przez 2 sekundy
rozpoczyna proces zimnego pokręcenia, który kończy się automatycznie.
5.3. Hot starting // Gorący rozruch
Preparation for activation:
make sure that the master switch is on (position “I”);
set the cut-off valve switch to “WYŁ”);
set the battery-connection switch to “2 AKU”;
set the switch to “ROZRUCH”;
make sure that the brake load controller is set to 0.
// Przygotowanie do uruchomienia:
upewnić się czy wyłącznik główny jest załączony (w położeniu "I");
ustawić przełącznik zaworu odcinającego na „wył”;
ustawić przełącznik połączenia akumulatorów na „2 aku”;
ustawić przełącznik na „rozruch”;
upewnić się czy na sterowniku hamulca obciążenie ustawione jest na 0.
The starting process is initiated by pressing the “URUCHOM” button for 2 seconds and setting
the cut-off valve switch to “ZAŁ”. The starting process involves cranking the compressor shaft,
fuel ignition in the combustion chamber and bringing the turbine to idling. The hot starting
process is controlled completely by the starting box, which stops operating after about 30
seconds.
The gas turbine // Turbina gazowa
23
During starting, the oil pressure value should observed – at the end of the process it should be
included in the range of 147-294 kPa.
// Proces uruchomienia jest inicjowany przez przytrzymanie przycisku "Uruchom" przez 2
sekundy i przestawienie przełącznika zaworu odcinającego na „zał”. W trakcie rozruchu
następuje rozkręcenie wału sprężarki, zapalanie paliwa w komorze spalania i doprowadzenie
turbiny gazowej do pracy biegu jałowego. Całym procesem gorącego rozruchu steruje skrzynka
rozruchowa, która kończy swoją pracę po ok. 30 sekundach.
W trakcie uruchomienia należy obserwować wartość ciśnienia oleju, która pod koniec rozruchu
powinna wynosić 147-294 kPa
5.4. Stopping the turbine // Zatrzymanie turbiny
Before it is stopped, the turbine should run idling for about 2 minutes, but in winter the time
should be lengthened to 3 minutes. No-load running will make it possible to cool down the
turbine.
The turbine is stopped by switching the cut-off valve to “WYŁ”.
Stopping the turbine, special care should be taken to check for any knocking, grinding or other
unnatural noises coming from the machine. The stopping time should also be measured – it
should not be shorter than 25 seconds. The turbine stopping time counts from the moment the
cut-off valve is switched off to a complete halt of the turbocompressor rotor.
// Turbina przed zatrzymaniem powinna pracować około 2 minuty na biegu jałowym, natomiast
w warunkach zimowych czas ten powinien być wydłużony do 3 minut. Praca na biegu jałowym
ma na celu ochłodzenie turbiny.
Turbinę zatrzymuję się przez przestawienie położenia przełącznika „zaworu odcinającego” na
„wył.”.
Podczas zatrzymania turbiny należy zwrócić szczególna uwagę, czy nie występują stuki, zgrzyt
lub inne odgłosy nienaturalnej pracy turbiny. Należy również zmierzyć czas zatrzymania, który
nie powinien być krótszy niż 25 sekund. Czas zatrzymania turbiny liczy się od momentu
wyłączenia zaworu odcinającego do całkowitego zatrzymania się wirnika turbosprężarki.
After the measurements are completed, turn off all the stand installations and close all the gates
and valves. Remember to close the cut-off valve prior to the fuel pump deactivation.
// Po zakończonych pomiarach należy wyłączyć wszystkie instalacje stanowiska oraz zamknąć
wszystkie zasuwy i zawory. Należy pamiętać o zamknięciu zaworu odcinającego przed
wyłączeniem pompy paliwowej.
The gas turbine // Turbina gazowa
24
6. GTD-350 GAS TURBINE OPERATION // PRACA TURBINY GAZOWEJ
GTD-350
Operating the turbine, the following operating parameters should be monitored:
gas temperature upstream the turbine compressor T3;
oil temperature at the engine outlet – Tol2,
turbocompressor rotational speed nWS;
power turbine rotational speed nTN,
oil pressure pol,
oil consumption.
// W czasie eksploatacji należy kontrolować następujące parametry pracy:
Temperaturę gazów przed turbiną sprężarki T3;
Temperaturę oleju na wyjściu z silnika Tol2;
Prędkość obrotową turbosprężarki nWS;
Prędkość obrotową turbiny napędowej nTN;
Ciśnienie oleju pol;
Zużycie oleju.
The ranges of values at which the turbine should operate depend first and foremost on the load.
They are specified in the GTD-350 engine technical documentation. After the turbine is turned
off (the fuel supply is cut-off), the time after which the compressor stops (the rundown time)
should be monitored. It should not be shorter than 25 seconds. Too short a rundown time points
to inappropriate lubrication and a possibility of the compressor seizing.
// Zakresy wartości, w jakich powinna pracować turbina są zależne przede wszystkim od
obciążenia i są podane w dokumentacji technicznej silnika GTD-350. Po wyłączeniu turbiny
(odcięciu dopływu paliwa) należy kontrolować czas po jakim nastąpi zatrzymanie sie sprężarki
(tzw. wybieg). Czas ten nie powinien być krótszy niż 25 s. Zbyt krótki czas informuje o
nieodpowiednim smarowaniu i możliwości zatarcia sprężarki.
7. PERFORMANCE OF MEASUREMENTS // PRZEBIEG POMIARÓW
7.1. Activities to be done // Czynności do wykonania
Activate the turbine according to the starting procedure. The turbine should run under no load
for about 2 minutes until the oil temperature rises above 30°C.
The gas turbine // Turbina gazowa
25
On the brake controller, increase the amount of fuel fed onto the turbine until the air bleed valve
is closed (the turbine generates much less noise). After the turbine operation parameters become
stable, read all the values of the measured quantities.
Increase the amount of fuel fed onto the turbine setting a new working point, and re-read the
values of the measured quantities. The measurements should be performed for at least 5
working points (corresponding to the power turbine different loads).
// Uruchomić turbinę zgodnie z procedurą rozruchu. Turbina powinna pracować bez
obciążenia przez ok. 2 min aż do uzyskania temperatury oleju powyżej 30°C.
Na sterowniku hamulca zwiększyć ilość paliwa podawanego na turbinę aż do zamknięcia
zaworu upustu powietrza (wyraźne zmniejszenie hałasu generowanego przez turbinę). Po
ustabilizowaniu się parametrów pracy turbiny należy odczytać wartości wielkości mierzonych.
Zwiększyć ilość paliwa podawanego na turbinę ustalając nowy punkt pracy i ponownie
odczytać wartości wielkości mierzonych. Pomiary wykonać dla co najmniej 5 punktów pracy
(odpowiadających różnym obciążeniom turbiny napędowej).
7.2. Turbine characteristics // Charakterystyki turbiny
The gas turbine parameters measured during steady-state operation under loads should make it
possible to determine characteristics of the following devices:
// Zmierzone parametry turbiny gazowej w czasie ustalonej pracy pod obciążeniem powinny
pozwolić na stworzenie charakterystyk:
the compressor // sprężarki WSzmzSSS nqf ,,
the compressor turbine // turbiny sprężarki WSzmzTSTSTS nqf ,,
the power turbine // turbiny napędowej TNzmzTNTNTN nqf ,,
the gas turbine unit // zespołu turbiny gazowej 3,, TnfP STNzz , Szt Pf ,
where // gdzie:
dd
ez
Tp
PP corrected power // moc zredukowana
d
dm
mzp
Tqq corrected mass flow // zredukowany strumień masy
The gas turbine // Turbina gazowa
26
d
z
T
nn corrected number of revolutions // zredukowane obroty
293
d
d
TT
Td - air static temperature at the compressor inlet // temperatura
spoczynkowa powietrza na wlocie do sprężarki [K]
101325
d
d
pp
pd - air static pressure at the compressor inlet // ciśnienie
spoczynkowe powietrza na wlocie do sprężarki [Pa]
7.3. Development of measurement results // Opracowanie wyników
pomiarów
Based on the measurement results, calculate the parameters characterizing the gas turbine
operation in each working point and plot the following characteristics: 𝜀𝑠, 𝑞𝑚𝑧 = 𝑓(𝑛𝑊𝑆𝑧);
𝜀𝑠 = 𝑓(𝑞𝑚𝑧); 𝑃𝑧 , 𝑇3, 𝑐𝑗 = 𝑓(𝑛𝑊𝑆𝑧) (cj – specific fuel consumption in kg/(kW h)); 𝜂𝑡 = 𝑓(𝑃𝑧).
On the efficiency characteristics, mark the point with the highest efficiency value.
// Na podstawie wyników pomiarów wykonać obliczenia parametrów charakteryzujących pracę
turbiny gazowej w każdym punkcie pracy oraz wykreślić charakterystyki: 𝜀𝑠, 𝑞𝑚𝑧 = 𝑓(𝑛𝑊𝑆𝑧);
𝜀𝑠 = 𝑓(𝑞𝑚𝑧); 𝑃𝑧 , 𝑇3, 𝑐𝑗 = 𝑓(𝑛𝑊𝑆𝑧) (cj – jednostkowe zużycie paliwa w kg/(kW h)); 𝜂𝑡 = 𝑓(𝑃𝑧).
Na charakterystykach sprawności zaznaczyć punkt najwyższej sprawności.
In order to generalize the obtained results, the characteristics may be presented in corrected
relative quantities: mrefmzmz qqq ,
refzz nnn , refzz PPP (subscript ref denotes nominal
parameters).
// Dla uogólnienia otrzymanych wyników charakterystyki można przedstawić w wielkościach
względnych zredukowanych: mrefmzmz qqq ,
refzz nnn , refzz PPP (indeks ref oznacza
parametry znamionowe).
8. THE REPORT // SPRAWOZDANIE
The report (printed on both sides or written by hand) should include as follows //
Sprawozdanie (wydrukowane dwustronnie lub napisane ręcznie) powinno zawierać:
1. Title page (the course title, the title of the laboratory class (class symbol in parentheses),
the field of study, the semester, the level of studies, the section number, the surnames and
names of students drawing up the report, the date on which the class was conducted). //
Strona tytułowa (nazwa przedmiotu, tytuł ćwiczenia laboratoryjnego (symbol), kierunek
The gas turbine // Turbina gazowa
27
studiów, semester, stopień studiów, numer sekcji laboratoryjnej, nazwiska i imiona
uczestników, data wykonania ćwiczenia).
2. Short theoretical introduction about gas turbine and aim of the exercise. // Krótki wstęp
teoretyczny dotyczący turbin gazowych i cel ćwiczenia.
3. A list of the instruments and devices used during the laboratory class together with nominal
data. // Użyte w trakcie laboratorium przyrządy i urządzenia wraz z danymi znamionowymi.
4. The measuring system flowchart (students shall make the flowcharts on their own). //
Schemat układu pomiarowego z zaznaczonymi punktami pomiarowymi (Schematy mają
zostać wykonane własnoręcznie).
5. Tables listing the measurement results // Tabele wyników pomiarowych.
6. Computational formulae together with example calculations // Wzory do obliczeń wraz z
przykładowymi obliczeniami.
7. The calculation results in the form of tables or charts // Wyniki obliczeń w formie tabel lub
wykresów.
8. Remarks and conclusions (the remarks shall relate to the course of the laboratory class, the
conclusions shall be drawn based on the obtained results). // Uwagi oraz wnioski (Uwagi
mają dotyczyć przebiegu ćwiczenia laboratoryjnego, wnioski należy wyciągnąć na
podstawie otrzymanych wyników).
Bibliography // Bibliografia
1. Instrukcja eksploatacji i obsługi technicznej – silnik GTD-350. Dokument nr 16.0.373
Wyd.2 1975, Wytwórnia Sprzętu Komunikacyjnego „PZL Rzeszów”.
2. Opis techniczny silnika GTD-350 dla śmigłowca Mi-2. Dokument nr 16.0.381 Wyd.3
Maj 1978, Wytwórnia Sprzętu Komunikacyjnego „PZL Rzeszów”.
The gas turbine // Turbina gazowa
28
Tab.1. Measured quantities // Wielkości mierzone.
Measurement card – Gas turbine GTD 350 // Karta pomiarowa - Turbina GTD-350 Date // Data
Cold starting //
Zimne pokręcenie
Rundown time //
Wybieg: s
Ambient temperature //
Temperatura otoczenia: °C
Hot starting //
Rozruch gorący
Rundown time //
Wybieg: s
Ambient pressure // Ciśnienie
otoczenia: hPa
Simulated starting //
Rozruch rzekomy
Rundown time //
Wybieg: s
Air humidity // Wilgotność
powietrza: %RH
Time
Torque measured
on the brake
Rotational speed on the brake
rpm counter
Rotational speed on
the compresso
r rpm counter
Max. exhaust
gas temp downstrea
m the combustion
chamber
Exhaust gas temp.
at the turbine outlet
Fuel consumptio
n
Oil pressure in the engine
Oil temp. at the engine
outlet Air stream
Pressure downstrea
m the compresso
r
Oil level in the oil tank
Fuel level in the fuel
tank
Fuel consumption readout
Voltage of batteries
Czas
Moment
obrotowy
zmierzony
na
hamulcu
Prędkość
obrotowa
obrotomier
za hamulca
Prędkość
obrotowa
obrotomier
za
sprężarki
Maksym.
temp.
spalin za
komorą
spalania
Temperatu
ra spalin
na wylocie
z turbiny
Zużycie
paliwa
Ciśnienie
oleju w
silniku
Temperatu
ra oleju na
wyjściu z
silnika
Strumień
powietrza
Ciśnienie
za
sprężarką
Poziom
oleju w
zbiorniku
Poziom
paliwa w
zbiorniku
Stan
licznika
zużycia
paliwa
Napięcie
akumulator
ów
M n nobr T3 T4 qvpal pol tol2 Δh1 p2 hol hpal Vpal U
hh:mm:ss Nm obr/min % °C °C l/h bar °C mm H2O kG/cm2 mm mm l V