книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

всех приборов — т. п. д., т. с. д., а. у., комбинированных трубок и термозондов, предназначенных для определения параметров потока.

Механизмы, предназначенные для перемещения и фиксации положения этих приборов, носят общее название координатников. Все существующие типы координатников можно разделить на две группы: координатники с дистанционным механическим или электрическим приводом и координатники с непосредственным ручным приводом. Вне всякого сомнения, первая группа коорди­ натников обеспечивает более благоприятные условия для иссле­ дователя с точки зрения техники безопасности. Однако сложность их электрических и кинематических схем, относительная нена­ дежность, высокая стоимость и другие недостатки препятствуют их широкому распространению.

Обследование ряда организаций, занимающихся исследова­ нием турбомашин, показало, что в настоящее время предпочтение отдается координатникам с ручным приводом.

Существует большое многоообразие координатников с ручным приводом, но, как показали методические работы [71], к сожа­ лению, ни один из испытанных координатников не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к приборам подоб­ ного рода. В основном эти требования применительно к исследо­ ванию ц. к. заключаются в следующем: 1) безопасность в работе; 2) надежность, удобство и простота в эксплуатации; 3) малые вес

перемещения Al не менее 0,1—0,3 мм; 8) возможная точность измерения угла поворота Ау не менее 0,3—0,5°; 9) хорошее уплот­ нение измерительного прибора в корпусе координатника; 10) на­ дежное крепление измерительного прибора в подвижной части координатника и удобство крепления координатника на иссле­ дуемом объекте; 11) наличие уровня; 12) надежная фиксация подвижной части координатника от произвольных перемещений; 13) надежность и удобство механизма движения подвижной части координатника; 14) двухсторонность шкал, служащих для реги­ страции перемещения измерительного прибора.

Анализ данных, приведенных в табл. 4, и опыт работы на экс­ периментальных стендах показывают, что наиболее полно постав­ ленным выше требованием удовлетворяет координатник № 6 конструкции ЛПИ им. М. И. Калинина. Кинематическая схема этого координатника предложена Невским машиностроительным заводом им. В. И. Ленина.

На рис. 73 показана конструктивная схема рекомендуемого координатника. Основой координатника является корпус 7, на котором смонтированы все необходимые детали. Измерительный

бора определяется по двусторонней шкале, имеющейся на винте 7. Поворот гайки 13 на один оборот соответствует поступательному перемещению винта совместно с измерительным прибором на 1 мм. Двадцать сверлений на торце гайки 13 позволяют фиксировать стопором 11 перемещение измерительного прибора с точностью до 0,05 мм. Координатник снабжен уровнем 14, а также двумя смен­ ными лимбами 15 с ценой деления 2 и 0,5°, служащими для отсчета углового перемещения измерительного прибора, и тремя взаимо­ заменяемыми винтами 7 с шагом резьбы 1 мм и диаметрами вну­ треннего отверстия 3,4 и 5 мм, которые соответствуют диаметрам державок применяемых измерительных приборов.

Многолетний опыт эксплуатации координатников № 6 на экс­ периментальных стендах ЛПИ им. М. И. Калинина, ЛенНИИхиммаша, хабаровского завода «Энергомаш» и других организа­ ций подтверждает высокую надежность и удобство в работе коор­ динатников этого типа. При незначительных конструктивных изменениях (удлинение ниппеля 17 и винта 7) возможно дальней­ шее увеличение поступательного перемещения подвижной части координатника совместно с измерительным прибором.

П н е в м о м е т р и ч е с к и е м е т о д ы и с с л е д о в а н и я п о т о к а в о т н о с и т е л ь н о м д в и ж е н и и

2 7 . О с н о в н ы е п о л о ж е н и я

Основные характеристики решетки ротора осевой турбомашины

впервом приближении могут быть получены путем статической продувки. Невозможность моделирования поля центробежных сил в радиальных турбомашинах затрудняет применение какихлибо достоверных методов исследования течения в рабочих коле­ сах кроме измерений с помощью приборов, вращающихся совместно

сротором. Такой способ известен как метод исследования потока

вотносительном движении, так как измеренные параметры потока

соответствуют не абсолютной, а относительной скорости потока в колесе.

Проведение исследований в относительном движении сопря­ жено с рядом трудностей, преодолеть которые тем сложнее, чем больше окружная скорость. Поэтому систематические исследова­ ния ц. к. в относительном движении ведутся обычно при невысокой окружной скорости (ц2^ Ю 0 м/сек). Будучи полезными для выясне­ ния общей физической картины течения, эти исследования не мо­ гут служить надежным основанием для суждения о потоке в р. к. современных ступеней, работающих при и 2 ^ 300 м/сек. Поэтому здесь особое внимание уделяется аппаратуре, позволяющей произ­ водить измерения при высоких окружных скоростях.

Аппаратура для исследований в относительном движении со­ стоит из датчика (приемника давления), линии для передачи им­ пульса и регистрирующего устройства. Использование электрон­ ной аппаратуры, например радиотелеметрии, дает возможность решить основную трудность эксперимента в относительном дви­ жении — передачу информации о потоке во вращающемся колесе неподвижному наблюдателю (см. п. 34). Однако ввиду недоста­ точной для количественных измерений точности электронная аппаратура пока не может быть широко применена для исследо­ ваний в относительном движении. В настоящей главе рассмотрены пневмометрические методы таких исследований. Возможны два варианта пневмометрических измерений.

1. Параметры потока в виде импульсов давления подводятся к регистрирующему прибору (манометру), также вращающемуся вместе с ротором установки. Показания отсчитываются визуально с помощью стробоскопа. При этом возникают трудности с под­ бором типа манометра и обеспечением его работы в поле центро­ бежных сил. Установки с вращающимися манометрами находят ограниченное применение при исследованиях с малыми окружными скоростями (менее 100 м/сек).

2. Импульсы давления передаются специальным устройством, передатчиком давления, на неподвижные регистрирующие при-

Рис. 74. Принципиальная схема пневмометрического измерения с помощью передатчика давления (а) и испытания передатчика на гер­ метичность (б)

боры. В этом случае обычная схема пневмометрического замера усложняется наличием передатчика давления.

Схема измерения в рабочем колесе центробежного компрессора с помощью передатчика давления показана на рис. 74, а. Давление

с валом компрессора. Здесь они соединяются с каналами, прохо­ дящими внутри вала передатчика давления. Корпус прибора де­ лится на ряд неподвижных камер, герметизированных одна от другой и от атмосферы уплотнениями того или иного рода. Непо­ движные камеры соединены с манометрами, регистрирующими измеряемое давление. Передатчик, сделанный по такой схеме, называется многоточечным: измерение давления осуществляется одновременно в нескольких точках. Чем больше точек замера, тем больше должны быть диаметр вала и его длина. При заданной скорости вращения это усложняет проблему уплотнения неподвиж­ ных камер. В связи с этим находят применение приборы, пред­ ставляющие собой комбинацию более простого одноточечного передатчика давления с переключающим устройством, позволя­ ющим подводить к передатчику поочередно давление от различных точек замера, причем остановка машины не требуется.

Поле центробежных сил воздействует на элементы измеритель­ ной системы, в результате чего эти элементы должны удовлетво­ рять ряду специфических требований.

Статическая и динамическая прочность приемников давления должна быть достаточной для исключения поломок от действия центробежных сил и вибраций.

Центростремительное ускорение, отнесенное к ускорению силы

тяжести (перегрузка), равно ~ . Если испытание про­

водится при окружной скорости 300 м/сек, а диаметр колеса равен 350 мм, то перегрузка, действующая на аэродинамический прием­ ник, установленный на диаметре D 2, равна 52 300. Таким образом, приемник весом 10 г воздействует на свое крепление в месте за­ делки силой 523 кГ.

Как сам прибор, так и устройство для его установки должны обладать достаточной прочностью. Большие нагрузки и слож­ ность конструкции практически исключают применение координатников, ориентирующих приемники давления по направлению потока и производящих траверсирование по поверхности контроль­ ного сечения.

Измерения можно выполнить с помощью большого числа не­ подвижно закрепленных на колесе приемников давления, нечув­ ствительных к углам скоса потока. Таким образом, приемники давления для измерений в относительном движении должны быть нечувствительными к углам скоса потока и обладать минимально возможными размерами, чтобы установка большого количества этих приемников не искажала течения в колесе.

Применение передатчиков давления связано с некоторой утеч­ кой газа (большей или меньшей в зависимости от конструкции

исостояния деталей прибора), которая вызывает погрешность измерения тем большую, чем больше сопротивление тракта от точки измерения до места утечки. Поэтому приемники давления

идренажные тракты должны обладать минимальным гидравли­ ческим сопротивлением.

Современные экспериментальные установки являются слож­ ными и дорогостоящими сооружениями, поэтому очень важно, чтобы исследования в относительном движении могли прово­ диться не на специализированных, а на обычных стендах. Это накладывает особые требования на конструкцию передатчиков давления, которые должны быть пригодны для использования практически на любых стендах для исследования моделей или на­ турных центробежных компрессоров. Это значит, что прибор дол­ жен иметь самостоятельное конструктивное оформление и допу­ скать подсоединение к существующим стендам без их переделки. Поскольку экспериментальные установки для испытания центро­ бежных ступеней обычно невелики по размерам и может встре­ титься необходимость размещения прибора внутри проточной части

(в обтекателе входного или выходного патрубка), габариты его должны быть возможно малыми.

Скорость вращения роторов экспериментальных моделей ц. к. стационарного типа достигает 15 000— 18 000 об!мин и более. Для проведения исследований в относительном движении при реальных окружных скоростях передатчик давления должен быть работоспособным при такой скорости вращения.

Для уменьшения погрешности измерений уплотнения передат­ чика должны быть возможно более герметичными. Вопрос о до­ пустимой негерметичности разбирается в п. 31.

Количество точек замеров давления, обслуживаемое передат­ чиком, желательно иметь равным числу приемников давления, установленных на колесе. Это число имеет порядок нескольких десятков.

2 8 . П р и е м н и к и д а в л е н и я

Комбинированные приемники давления не удовлетворяют условиям измерений в относительном движении и, как правило, не применяются. Ниже рассмотрены наиболее перспективные для таких измерений конструкции т. п. д., т. с. д. и а. у.

дованиях в относительном движении при небольших окружных скоростях. На рис. 75, а показан премник полного давления с дер­ жавкой. Приемник устанавливается на бакелитовом лаке в резьбо­ вом отверстии на рабочем диске колеса. Державка выполнена в виде конуса, приближающегося по форме к телу равного сопро­ тивления.

Приемник собирается из отдельных довольно мелких деталей путем пайки. Для облегчения пайки детали изготовляются из

красной меди или латуни, т. е. из материалов с низкой удельной прочностью. Такая конструкция не может быть достаточно надеж­ ной при работе в поле центробежных сил при высокой окружной скорости.

Д ля исследования при высоких окружных скоростях на ка­ федре компрессоростроения ЛПИ им. М. И. Калинина были раз­ работаны различные варианты приемников полного давления (рис. 75, б, в, г, д). Прибор, показанный на рис. 75, г, дал наилуч­ шие результаты. Как следует из результатов испытаний, эта кон­ струкция достаточно нечувствительна к углам скоса потока, хотя и уступает несколько т. п. д. с цилиндрическим конфузором (рис. 75, а). Величина допустимого угла скоса потока со стороны державки ô ^ 20° достаточна, так как обычно в каналах центро­ бежных колес углы отклонения потока от радиального направле­ ния в меридиональной плоскости не могут быть большими. В дру­ гих направлениях допустим угол скоса потока около 40°. Д о­ стоинством прибора является повышенная прочность конструкции. Прибор можно выполнить из сплавов на алюминиевой или тита­ новой основе с максимальной удельной прочностью.

Приемник монолитной конструкции без протока с фаской у приемного отверстия (рис. 75, б) имеет меньшую нечувствитель­ ность к углам скоса потока (±15°). Приемники, выполненные по схеме на рис. 75, б, б, при хорошей или удовлетворительной не­ чувствительности к углам скоса потока имеют поправочный коэф­ фициент К * больше единицы, примерно 1,02— 1,03. Это, очевидно, вызвано тем, что расстояние от оси приемного отверстия до плохо обтекаемого торца насадка недостаточно для устранения влияния возмущения от обтекания набегающим потоком.

Вопрос о закреплении приемников на рабочем колесе при высо­ ких окружных скоростях достаточно сложен. Резьбовое соедине­ ние двух деталей из алюминиевых сплавов — рабочего диска и приемника — может оказаться недостаточно прочным. Одним из путей решения вопроса может быть отказ от почти традиционного изготовления модельных колес из алюминиевых сплавов и замена их стальными или титановыми, а также увеличение толщины ра­ бочего диска.

Стальные колеса менее удобны для обработки, в частности и при дренировании. Наличие сквозных отверстий в рабочем диске ослабляет его конструкцию, поэтому сейчас разрабатывается способ крепления приемников давления к колесам путем приклейки составами типа эпоксидных смол. В этом случае державка прием­ ника должна заканчиваться не резьбой, а плоской пятой со штифтом, поверхность которой приклеивается к поверхности колеса.

Д ля определения полного давления вблизи поверхности лопа­ ток можно предложить датчик, изображенный на рис. 76. Так как в этом случае углы скоса потока не могут быть большими, то дат­

чик имеет форму обычной цилиндрической т. п. д. малого размера с державкой в виде пяты для приклейки к поверхности лопатки.

Измерение статического давления на стенках вращающихся каналов производится, так же как и в неподвижных, с помощью отверстий для отбора давления. Отверстие системой дренажных трактов соединяется с вращающимся манометром или передатчи­ ком давления. Само дренажное отверстие диаметром 0,4—0,7 мм сверлится обычно с помощью стоматологической бормашины с угло­ вым наконечником. Инструментом служит сверло соответствую­ щего диаметра. Оно приспосабливается для закрепления в нако­

нечнике бормашины следующим образом: закаленный медицин­

статического давления на поверхности лопатки. Сверление в теле лопатки подводит давление к дренажному каналу на наружной стороне рабочего диска колеса. При очень подробных исследова­ ниях течения в колесе может оказаться невозможным за одно испы­ тание определить давление во всех точках. В этом случае удобно выводить несколько дренажных отверстий, разнесенных по вы­ соте лопатки, в одно сверление в теле диска. При опытах нужно заклеивать все отверстия, кроме одного, давление в котором будет измеряться при данном испытании.

Естественно, что вопрос значительно усложняется, когда воз­ никает необходимость определения статического давления не на стенках канала, а по его сечению. Для этой цели можно предло­ жить приемник статического давления со сферической головкой, нечувствительный к углам скоса потока в диапазоне ±45° по р и