книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

и 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].