книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин
..pdfи 3, подавая воздух в полости, служащие цилиндрами для поршня переключающего механизма. Поршень совершит один двойной ход, и неподвижный регистрирующий прибор окажется соединен ным с другой рабочей точкой.
Во время испытаний может возникнуть необходимость прове рить герметичность системы или продуть ее. Для этой цели слу жат тракты от вакуум-насоса и пневматической сети. При про верке герметичности прибора во время испытаний необходимо,
Рис. 84. Схема пульта управления и контроля передатчика давления с пневма тическим переключающим устройством:
1 —исследуемое колесо, 2 —передатчик давления; 3, 4 —трехходовые краны, управляющие движением поршня переключающего механизма; 5 —мановакуумметр для контроля герметичности прибора; 6 —кран установки режима работы («работа»— «контроль»); 7,8 —краны
чтобы передатчик давления был соединен с одним из отверстий на распределительном диске, но само отверстие не должно сооб щаться с исследуемым рабочим колесом, т. е. должно быть заглу шено. Для этой цели во время монтажа всей установки одно или более отверстий не соединяются с дренажными трактами, а глу шатся. При соединении передатчика давления с таким контроль ным отверстием может быть проверена на ходу герметичность всей системы от распределительного диска до крана управления ре жимом работы 6, который в этом случае должен стоять в положе нии «контроль». С помощью кранов 7 и 8 передатчик сообщается с вакуум-насосом или с компрессором, заданное давление про веряется по мановакуумметру 5. Закрыв кран 7, можно проверить, как долго в системе сохраняется пониженное или избыточное давление. При необходимости продуть дренажные тракты кран 6
ставится в положение «контроль», кран 7 обеспечивает впуск
воздуха в систему от компрессора |
через |
кран |
8, а |
передат |
||
чик давления соединяется с одним |
из незаглушенных |
отвер |
||||
стий. |
|
при |
скорости |
вращения |
||
Прибор испытывался на стенде |
||||||
18 000 |
об)мин и использовался для |
проведения |
испытаний на |
|||
стендах |
лаборатории компрессоростроения |
при |
12 000 |
об/мин. |
Распределение давлений по лопаткам рабочего колеса, показан ное на рис. 85, получено с помощью этого прибора. Для работы переключающего механизма прибора требуется довольно большое
|
|
|
|
|
|
(р2=0,43 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
У |
У |
àУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
||
|
|
|
|
“V |
7 ? |
|
|
|
|||
|
|
|
|
// |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
_Vh1__ |
|
|
|
||||
Рис. 85. |
Распределение |
статических |
да |
-0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
-0,06 |
|
|
|
|
|
|
|||||
влений |
по лопаткам |
рабочего колеса |
|
|
|
|
|
|
|||
0.5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9D/D2 |
|||||||
(Рлг = 49°; D2 = 275 мм\ гг = z2 = |
16): |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
О —Урабочего диска; А—у покрывающего диска
количество сжатого воздуха. При установке прибора в обтекателе входного патрубка воздухопроводы к переключающему устрой ству возмущают поток.
Другой вариант этого прибора отличался от описанного только способом осевого перемещения детали 12 (рис. 82), подключаю щего различные дренажные тракты к передатчику давления. Это перемещение осуществляется неподвижным герметичным серво цилиндром через упорный подшипник. Прибор также показал
полную |
работоспособность при |
18 000 |
об/мин. |
||
На |
рис. |
86 показан |
прибор |
конструкции Н ЗЛ, в котором |
|
применена |
схема переключающего |
устройства передатчиков |
|||
ЛПИ. Он |
смонтирован |
в корпусе 1. Полый вал прибора 3 вра |
щается в подшипниках 2. В приборе имеются два распредели тельных диска 4 и два избирательных диска 6, связанных со штоком <?. Резиновые кольца 5 уплотняют только тот дренажный тракт, который подсоединен к передатчику. Посредством поршня 10 сервоцилиндра через подшипник 9 друг к другу подключаются поочередно задняя или передняя пара дисков 4 и 6.
Система защелок 7 такая же, как у передатчиков ЛПИ, бла годаря чему при осевом пере мещении происходит поворот избирательных дисков относи тельно распределительных.
От избирательных дисков
спомощью системы уплотне ний 15 и трубы 16 давление подводится к валу одноточеч ного передатчика 14, имеющему уплотнения в виде фторопласто вых лепестков 13 или войлочных сальников. Смазка передатчика осуществляется через каналы И , а давление на манометр пере дается по отверстию 12.
Преимуществом прибора по сравнению с передатчиками ЛПИ является почти вдвое большее число точек переключающего устройства, правда, это связано
сзаметным усложнением кон струкции. У прибора НЗЛ дре нажные тракты в колесе кроме одного не герметизируются, и устанавливающееся в них тече ние может исказить поток в ко лесе. Это следует считать недо статком конструкции. Прибор не работал при числе оборотов более 8400 в минуту. Большие размеры подшипников могут помешать длительной эксплуа тации прибора при большей скорости вращения.
При эксплуатации приборов описанной конструкции следует уделить внимание соединению дренажных трактов со штуце рами прибора. Оно выполняется
спомощью резиновых или пласт массовых труб, которые соби раются в пучок и обматываются клейкой лентой, проволокой или закрываются кожухом, который предохраняет их от обрыва под
Рис. 86. Схема передатчика давления с переключающим устройством конструкции НЗЛ
действием центробежных сил. Часто этот пучок является не уравновешенной массой, достаточной для возбуждения вибрации прибора, которая делает его нормальную работу невозможной.
Этого недостатка лишен прибор, разработанный в лаборатории компрессоростроения ЛПИ и отличающийся от изображенного на рис. 82 конструктивным оформлением. Его вал жестко соеди няется с торцом вала исследуемого ц. к. Дренажные тракты под ведены к отверстиям в диске на торце колеса. Такой же диск есть на валу прибора, и подсоединение прибора к дренажным трактам осуществляется прижатием двух притертых поверхностей друг к другу. Статор этого прибора опирается на вал через два шариковых подшипника и связан с обтекателем входного патрубка подвижным соединением, препятствующим вращению статора и не мешающим его перемещениям в пространстве вместе с валом мо дели.
31. У ч е т ц е н т р о б е ж н ы х с и л , д е й с т в у ю щ и х н а с т о л б г а з а в д р е н а ж н о м т р а к т е , и п о г р е ш н о с т е й ,
в ы з ы в а е м ы х п р о т е ч к а м и в п е р е д а т ч и к а х
При обработке результатов экспериментов в относительном движении необходимо учитывать действие центробежных сил на столб газа в дренажной трубке. Уравнение равновесия элемента
газа |
с размерами dr, dq> и |
dz |
под действием |
центробежных сил |
||
и давления в |
направлении |
г запишется |
так (весом |
столба |
||
газа |
пренебрегаем): |
|
|
|
|
|
|
(р + |
dp) rd<p dz = |
pr d<p dz -f- - y r dep dr dz(o2r. |
(158) |
В результате сокращения получим
(159)
где р, Т — давление и температура в точке измерения давления. Для интегрирования уравнения (159) необходимо знать закон распределения температуры по радиусу исследуемого элемента. Для несжимаемой жидкости (или в случае малого изменения
плотности при малых скоростях) |
= const, |
следовательно, |
|
|
“2- |
“1 |
(160) |
|
Р = Рм + У— 2у |
~ > |
|
где рм — давление, |
регистрируемое манометром; |
||
u h — окружная |
скорость вращающегося манометра или ско |
||
рость на |
поверхности уплотняемого |
вала в месте вы |
|
вода дренажного тракта; |
|
|
|
и — окружная |
скорость в точке |
отбора давления. |
Для передатчика давления скорость им близка или в точности равна нулю. Для установок с вращающимися манометрами им имеет величину, которой не следует пренебрегать.
При допущении, что вследствие малого объема дренажной трубки температура газа в ней неизменна и равна средней темпе ратуре диска Тд, в котором она уложена, решение будет иметь несколько другой вид
|
2gRTd |
(161) |
|
Р = Рме |
|
|
Если температура газа изменяется по политропному закону, то |
|
|
п—1 |
(162) |
|
|
|
И |
|
П |
|
|
|
|
|
(163) |
Разность между значениями р, вычисленными по формулам |
||
(161) и (163), при скоростях и < 150 м/сек |
незначительна. Так, |
|
для |
воздуха при и = 150 м/сек, г = 150 мм, |
Тм = Тд = 293° К, |
п = |
k разность между значениями р составляет около 0,4% . |
При больших скоростях закон изменения температуры по радиусу дренажного тракта может оказать заметное влияние на величину измеряемого давления. Очевидно, этот закон опреде ляется конструкцией экспериментальной модели и режимом ра боты и не может быть заранее определен.
Целесообразно проводить динамическое тарирование системы, которое заключается в следующем. С помощью обычных сверле ний на неподвижной стенке корпуса и отверстий на тыльной стороне рабочего диска колеса замеряется распределение стати ческих давлений по радиусу зазора между колесом и корпусом. Сравнение показаний манометров, соединенных с точками замеров на колесе и корпусе на одинаковых радиусах, позволит непосред ственно определить действие центробежной силы на столб газа в дренажном тракте. Это тарирование может быть произведено, если зазор между колесом и стенкой мал и изменением давления в нем по оси можно пренебречь.
Вопрос об учете действия центробежной силы на столб газа в дренажном тракте рассмотрен также в работе [60].
Другой возможной причиной специфической погрешности могут быть протечки в передатчике. Очевидно, что добиться абсолютной герметичности системы передатчик давления — неподвижный ре гистрирующий прибор невозможно. При протечках через уплот нения в дренажном канале и аэродинамическом приборе устанав ливается движение газа, в результате чего измеряемое давление
отличается от давления в неподвижной камере, регистрируемого манометром, на величину падения давления в дренажном тракте и аэродинамическом приборе.
Перепад давления между точкой замера и местом утечки определяется сопротивлением дренажного тракта с приемником давления и количеством утекающего газа, которое, в свою очередь, зависит от уплотняемого давления и состояния уплотнений. Определение погрешности измерения, вызываемой протечками, сводится к следующему. Измеряется величина протечек через передатчик при заданном уплотняемом давлении. Определяется перепад давления в дренажном тракте при расходе газа, равном величине протечек. Отношение перепада на концах дренажного тракта к уплотняемому перепаду является относительной погреш ностью измерения. Объемная утечка газа через уплотнения пере датчика может быть определена с помощью системы, показанной на рис. 74, б. Уплотняемая камера и магистраль, которой она соединена с манометром и кранами, представляют собой замкну тый объем, в котором создается разрежение или избыточное давле ние. В случае негерметичности уплотнений передатчика давление
в камере постепенно выравнивается с |
атмосферным, при этом |
||||
оно измеряется в определенные промежутки времени. |
|
||||
Объемная утечка за единицу времени — средняя за промежуток |
|||||
времени Дт — определяется выражением |
|
|
|||
' |
_Ук(Тг+ Т г) ( |
Pi |
Ръ \ |
(164) |
|
ут-ср” (Р1 + Р2)Лт |
XT, |
т 2 ) ’ |
|||
|
VK— объем замкнутой системы;
pi, Т г — давление и температура газа в системе в начале про межутка времени Дт;
р 2> Т 2 — давление и температура газа в конце промежутка времени Дт.
В лаборатории компрессоростроения ЛПИ экспериментальным путем определялось сопротивление различных дренажных трак тов. Работа выполнялась с помощью установки, используемой для определения времени срабатывания насадков (см. п. 18, рис. 33). При постоянной величине перепада давления опреде ляется величина расхода за определенный промежуток времени. Частное от деления объема воды, вылившейся в мерную колбу,
на |
время |
проведения опыта, дает значение объемного расхода |
|
в |
единицу |
времени. Отношение перепада на трубке |
с насадком |
к величине уплотняемого давления в передатчике при |
одинаковых |
объемных расходах Vym будет, очевидно, относительной погреш ностью измерения давления. Некоторая неточность при таком определении величины погрешности вносится пренебрежением различием в состоянии газа в дренажной трубке во время тариро вания и во время испытаний на установке, поскольку испытания насадков проводятся при нормальном атмосферном давлении
и температуре, а давления и температура в дренажном тракте рабочего колеса, вращающегося с большой окружной скоростью, могут быть другими.
На рис. 87 показана экспериментальная зависимость перепада давления в дренажных трактах и приемниках давления от объем-
Рис. 87. Сопротивление различных приемников давления совместно с дренаж
|
|
|
ными трактами: |
|
|
|
|
|
1 |
—трубка (0 1; / = 1,5 м) и т. п. д. с протоком; 2 —т. п. д. с протоком; |
3 —трубка |
||||||
(0 1; |
I = |
1,5 м) и т. с. д.; 4 —трубка (0 1; I —1,5 м): 5 —трубка (0l; |
I —1,0м> |
|||||
и т. с. д.; 6 —трубка (0 1; / = 1,0 м); 7 —трубка (0 1; / = |
0,5 м) и т. с. д.; |
8 —трубка |
||||||
(0 1; |
/ = |
0,5 м)\ 9 —трубка (0 1,7; / = |
1,5 м) и т. с. д.; 10 |
—трубка (0 1,7; / = |
1,0м) |
|||
и т. с. д.; 11 —трубка (0 1,7; / = |
0,5 ж) и т. с. д.; 12 —цилиндрическая т. п. д.; |
13 |
— |
|||||
Г-образная |
т. с. д.; 14 —трубка |
(0 1,7; |
I = 1,5 м)\ 15 —трубка (0 1,7; |
/ = 1,0 |
м); |
|||
|
|
16 —трубка |
(0 1,7; / = 0,5 м) |
|
|
|
|
ного расхода Vym.cp. Кривые могут служить для оценки погреш ности измерения, если известна зависимость утечек в передатчике от уплотняемого давления. Передатчики системы ЛПИ в испытан ном диапазоне уплотняемых давлений 0,5— 1,5 а т а имели, как правило, протечки, измеряемые в смг1мин. Погрешность измере ния из-за утечек у этих приборов не превосходит величин порядка десятых или даже сотых долей процента.
И с с л е д о в а н и е
н е с т а ц и о н а р н ы х п р о ц е с с о в
3 2 . О с н о в н ы е п о л о ж е н и я
Недооценка роли нестационарности течения в ц. к. может иметь серьезные последствия. Так, например, расчет элементов рабочего колеса на прочность обычно производится с учетом напряжений, вызванных только центробежными силами, а воз можность появления в колесе динамических напряжений от пере менных аэродинамических сил, как правило, не принимается во внимание. Однако неоднократные случаи поломок лопаток, а также покрывающих и основных дисков р. к. показывают, что их про исхождение связано с динамическими напряжениями, хотя во всех этих случаях был обеспечен достаточный запас прочности по статическим напряжениям от действия центробежных сил [70]. Имеются также случаи поломок лопаток диффузора под действием аналогичных переменных сил аэродинамического ха рактера.
Исследование нестационарных процессов необходимо не только для определения причин, вызывающих появление динамических напряжений в элементах конструкции ц. к., но также и для полу чения дополнительных данных о характере процессов, происходя щих в проточной части. Накопление таких сведений поможет внести уточнения в существующие методы расчета.
Немаловажным является также вопрос о характере работы обычных пневмометрических приборов в пульсирующем потоке и о погрешностях измерения, вызванных нестационарностью потока.
Рассмотрим основные виды нестационарных процессов в ц. к. Наиболее изученным нестационарным процессом является помпаж. Это явление возникает лишь при работе компрессора на достаточно малых расходах; параметры его определяются формой характеристики и акустической емкостью системы, на которую работает компрессор. В зависимости от условий работы частота колебаний при помпаже может меняться от долей герца до десятков герц; амплитуда колебаний может достигать значи тельной величины. С методической точки зрения принципиальных трудностей для исследования помпажных явлений не существует, однако сильная вибрация установки при помпаже и возможность
ее поломки требуют большой осторожности при проведении эксперимента.
При работе компрессора на предпомпажных режимах возни кает явление, которое по аналогии с осевыми компрессорами названо вращающимся срывом. При вращающемся срыве нару шается осевая симметрия потока и на выходе из колеса появляются зоны пониженного и повышенного давления, которые переме щаются относительно колеса. При расходах больше оптимального, по-видимому, возможно образование вращающегося срыва и на входе в р. к. Частота пульсаций давления при вращающемся срыве зависит от формы проточной части и от числа оборотов ротора и лежит в диапазоне примерно 20—500 гц.
Вследствие конечного числа лопаток всегда имеется пульси рующее течение за колесом, называемое обычно вращающимися следами. Частота пульсаций вращающихся следов определяется
по числу лопаток |
и числу оборотов |
ротора |
компрессора |
как |
|
/ = - g - |
|
|
(165) |
Для колес ц. |
к. при г = 7-^30 |
и п = |
1000-f-20 000 |
об/мин |
частота пульсаций находится в пределах 100 гц — 10 кгц. |
На поверхности рабочего и покрывающего дисков могут воз никать пульсации, вызванные потерей устойчивости течения в зазоре между р. к. и корпусом. Эти явления до сих пор практи чески не исследовались. При работе компрессора могут быть слу чаи отрывов потока в каналах р. к. как в меридиональной, так и в радиальной плоскостях. При этом в зоне отрыва имеются пуль сации, частота которых зависит от параметров потока и формы обтекаемых поверхностей.
Обычно предполагается, что по окружности р. к. поле давле ний осесимметрично. Однако имеются случаи, когда осесимметричность поля давлений из-за взаимодействия р. к. и неподвижных элементов проточной части нарушается, при этом течение газа в каналах колеса носит нестационарный характер. Частота пульса ций в этом случае будет кратной числу оборотов и может изме няться от нескольких герц до нескольких килогерц. Амплитуда достигает значительной величины.
Аналогичное влияние на течение газа в каналах колеса ока зывают возмущения потока на входе в колесо, вызванные, напри мер, обтеканием ребер всасывающей камеры, смещением половин корпуса в плоскости горизонтального разъема и т. д. Частотный диапазон пульсаций охватывает ту же область, что и в предыду щем случае.
Амплитудно-частотный диапазон нестационарных процессов очень широк; поэтому исключительно сложно создать универ сальную аппаратуру, пригодную для исследования всех видов нестационарных явлений. Рациональнее использовать приборы,
предназначенные для исследования отдельных групп явлений. Так, например, для исследования помпажных явлений можно использовать сравнительно низкочастотные приборы, размещен ные в неподвижных элементах проточной части компрессора, в то время как для исследования нестационарных явлений в ка налах р. к. необходимо применять высокочастотную аппаратуру с надежным устройством, передающим измеряемый импульс на регистрирующий прибор. Частоты пульсаций измеряемых пара метров исключают применение каких-либо регистрирующих при боров, кроме электрических. Поэтому при изучении нестационар ных процессов применяются электрические методы измерения неэлектрических величин. Измерительная система в этом случае состоит из датчика, служащего для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую, линии связи, усили теля и регистрирующих приборов. В качестве последних при меняются катодные или шлейфные осциллографы.
К приборам для исследования переменных параметров потока предъявляется ряд требований, общих для всех видов аппара туры, применяемой для измерения неэлектрических величин электрическими методами [88], однако имеются некоторые спе цифические особенности, связанные с проведением измерений в проточной части ц. к.
Измерительный комплекс должен иметь высокую чувствитель ность к измеряемому параметру при малой динамической погреш ности и малых погрешностях, вызванных посторонними воздей ствиями — вибрацией, температурой и т. д.
При исследовании в относительном движении используемые датчики должны обладать малым весом, а также способностью выдерживать значительные механические перегрузки. Выполнение последнего требования особенно важно при исследовании неста ционарных процессов при рабочих окружных скоростях, когда датчики размещаются внутри рабочих колес ц. к., вращающихся со скоростью до 20 000 об!мин.
Во избежание внесения возмущений в исследуемый поток
датчики должны обладать |
хорошей аэродинамической |
формой |
и малыми размерами. |
стабильные характеристики |
во вре |
Приборы должны иметь |
мени и не изменять своих показаний при работе в среде, загряз ненной пылью, маслом и влагой.
В главе приводятся основные сведения об аппаратуре для исследования нестационарных давлений как в абсолютном, так и в относительном движении. Непосредственные измерения пуль сации скорости при испытании ц. к. проводятся сравнительно редко. Описания устройства и особенностей работы применяемых для этой цели электротермоанемометров здесь не приводятся, так как содержатся в обширной специальной литературе [60, 69].