книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

3 3 . И з м е р е н и е п у л ь с а ц и й д а в л е н и я в а б с о л ю т н о м д в и ж е н и и

Задача измерения пульсаций давления в проточной части ц. к. является одной из самых важных при исследовании нестационар­ ных процессов.

Существующие для этой цели преобразователи неэлектриче­ ской величины в электрическую подразделяются на генераторные и параметрические. Генераторные преобразователи вырабаты­ вают э. д. с., зависящую от деформации самого преобразователя или промежуточного чувствительного элемента — мембраны. Эта э. д. с. измеряется с помощью соответствующей электронной

схемы. Параметрические преобразователи создают электрический сигнал, пропорциональный воздействию давления на чувствитель­ ный элемент, управляя током от специального источника.

Функциональная схема мембранного параметрического при­ бора для измерения нестационарных давлений представлена на рис. 88.

Рассмотрим основные элементы датчика давления, состоящего из приемника, чувствительного элемента и преобразователя.

Приемник давления служит для подвода давления к чувстви­ тельному элементу прибора. При выборе типа приемника давле­ ния могут быть использованы рекомендации, изложенные в гл. IV. Для измерения статических нестационарных давлений на стенках проточной части обычно применяют приемники давления в виде сверлений диаметром 0,7— 1 мм. Для измерения полных давлений можно рекомендовать приемник давления в виде т. п. д. с про­ током или цилиндрической т. п. д.

Применение т. п. д. с протоком позволяет создавать зонды для исследования нестационарных процессов в пространственном потоке, нечувствительные к углам скоса в обеих плоскостях до 40—50°. Использование цилиндрической т. п. д. при достаточно малом диаметре приемного отверстия помимо амплитуды полных давлений позволяет определять примерное направление вектора мгновенных скоростей. Вращая прибор вокруг его оси в координатнике, замечают положения, соответствующие максимальному сигналу. При этом ось приемного отверстия совпадает с направ­ лением потока. Этот вид приемника давления следует рекомен­ довать для исследования практически плоского потока.

Переходные каналы от приемника давления к чувствительному элементу следует выполнять предельно короткими, чтобы они не оказали существенного влияния на динамические характе­ ристики измерительной системы.

Чувствительным элементом обычно служит тонкая круглая пластина — мембрана или оболочка. Пластина должна быть прочной. Поэтому при заданном радиусе R толщину h круглой мембраны следует делать достаточно большой. Помимо этого, увеличение h является также одним из основных способов от­ стройки частоты главной формы собственных колебаний пластины от рабочих частот пульсаций давления и вибраций стенда, на котором установлен датчик.

С другой стороны, желательно стремиться к уменьшению /г, так как деформация пластины под действием собственных сил инерции должна быть значительно меньше, чем деформация от измеряемых сил давления. Кроме того, уменьшение толщины пластины увеличивает чувствительность датчика.

Одним из важнейших параметров, определяющих свойства мембраны, является собственная частота колебаний. Теоретически частота собственных колебаний круглой мембраны определяется по формуле

(166)

где Кг — коэффициент, зависящий от характера колебаний;

р— плотность материала мембраны;

ц— коэффициент Пуассона;

Е— модуль упругости.

Для определения частоты собственных колебаний мембраны пользуются зависимостью

нимать К = 1,17* 106, что дает хорошую сходимость расчета с дей­ ствительной частотой при жесткой заделке мембраны. Для при­ клеенных мембран величину К лучше уменьшить до 0,7 • 106. На рис. 89 представлен график частоты собственных колебаний круглой стальной мембраны fc с диаметром 5,5 мм в зависимости от толщины. На рис. 90 показано предельное давление, которое можно измерять при выбранной толщине мембраны, определен­ ное по допустимой величине напряжения в материале мембраны [а] = 1000-1500 кГ/см \

Мембрана должна быть плоской, не иметь вмятин и заусенцев по краям. Для изготовления мембран следует использовать спе­ циальные штампы. Заделка мембраны в корпусе датчика давления обычно осуществляется приклеиванием. В некоторых случаях используются привариваемые по контуру мембраны. Мембраны обычно изготовляются из сталей 50ХФА, 60С2, У-10, 65С2ВА, 4X13 и 45ХНФМА, обладающих высокими упругими свойствами.

Для измерения переменных давлений чаще всего применяются тензометрические, емкостные и индуктивные параметрические преобразователи.

В емкостном датчике (рис. 91) при деформации мембраны изме­ няется емкость конденсатора. В качестве одной из обкладок кон­ денсатора используется мембрана /, соединенная со стаканом 3; роль второй обкладки выполняет вставка 5, отделенная от ста­ кана изолятором 4. Для подвода давления используется сверле­ ние в корпусе 2. Подсоединение датчика к электронной схеме осуществляется с помощью контактных пластин 6.

Для получения участка приблизительно линейной зависимости емкости от перемещения мембраны следует выбирать минималь­ ный воздушный зазор между обкладками. Минимальная вели­ чина зазора ограничивается возможностью электрического

Применение емкостных датчиков при исследовании центро­ бежных компрессоров ограничено. Датчикам этого типа присуща нелинейная связь между входным и выходным сигналами. Обычно их применяют, если есть возможность использовать специальную

Минимальные габариты известных емкостных датчиков составляют 0 3 ,5 х 5 л ш , а диапазон измеряемых частот 0—3000 гц [28].

Существует большое количество разновидностей индуктивных преобразователей. Схемы простейших из них показаны на рис. 92. Под действием пульсаций давления изменяется зазор ô между мембраной и катушкой преобразователя, на которую подается питающее напряжение; это приводит к изменению магнитного сопротивления цепи и, следовательно, индуктивности катушки (рис. 92, а). Преобразователь включается в цепь переменного тока, в которой измеряется изменение индуктивного сопротив­ ления. Для уменьшения влияния температуры и увеличения ли­ нейного участка зависимости электрического сигнала от измеряе­ мого давления используется дифференциальная схема включения катушек преобразователя (рис. 92, б). Индуктивные датчики при­ меняются в диапазоне частот 0— 1000 гц. Минимальные габариты известных датчиков составляют 0 6,5 х 5 мм [60].

Датчики этого типа редко применяются при исследованиях пульсаций давления в ц. к. Это объясняется нелинейностью

характеристик индуктивных датчиков, их чувствительностью

ктемпературе, необходимостью использовать специальные усили­ тельные устройства, сложностью изготовления и монтажа и срав­ нительно большими габаритами. Д ля уменьшения влияния тем­ пературы индуктивные преобразователи помещаются в термостат, однако при этом резко снижается верхний предел регистрируемых частот из-за влияния подводящих каналов от приемника давления

кпреобразователю.

Чаще всего для исследования нестационарных процессов в про­ точной части ц. к. используют датчики давления с тензометриче-

Подложка Мембрана

Рис. 93. Схема электротензометра с прямоугольной решеткой

скими преобразователями. Это объясняется как относительной простотой и распространенностью электротензометров, так и на­ личием стандартной тензометрической аппаратуры, использую­ щейся для определения напряжений, возникающих в элементах конструкций турбомашин. Принцип работы электротензометра заключается в том, что его сопротивление изменяется под дей­ ствием деформации мембраны, к которой он прикреплен. Суще­ ствующие разновидности электротензометров можно разбить на три основные группы: проволочные, фольговые и полупроводни­ ковые.

На рис. 93 схематически представлены проволочный тензометр с прямоугольной решеткой и его крепление к мембране.

Основными параметрами тензометров являются: база L, коэф­ фициент тензочувствительности k и величина номинального

сопротивления R в недеформированном состоянии. Коэффициент тензочувствительности определяется свойствами материала, из которого изготовлен тензометр. Сводные данные по величине коэффициентов тензочувствительности для различных материалов приведены в приложении 10.

Как показывает практика исследования турбомашин, для получения оптимальных соотношений по чувствительности и соб­ ственной частоте мембран, а также по конструктивным соображе­ ниям диаметр мембран должен находиться в пределах 4—8 мм. Поэтому база тензометра, которая определяется из условия по­ стоянства знака напряжения, должна иметь величину 1,5—3,2 мм. Столь малая величина базы накладывает жесткие ограничения на выбор типа тензометра.

В СССР серийно выпускаются проволочные и фольговые тензо­ метры. Тензометры с прямоугольной решеткой имеют базу 3 и 5 мм; тензометры с базой 5 мм изготовляются из константановой проволоки диаметром 0,02—0,03 мм [57]. В лабораторных усло­ виях изготовляются полупроводниковые тензометры с минималь­ ной базой 1,5 мм.

Величина номинального сопротивления тензометров в неде­ формированном состоянии различна и зависит от величины базы и материала, из которого тензометр изготовлен. Для обычно используемых тензометров величина сопротивления находится

впределах 50—200 ом.

Вбольшинстве созданных приборов для измерения нестацио­ нарных давлений используются тензометры из константановой проволоки с прямоугольной решеткой, имеющие базу 2 и 3 мм.

Внекоторых случаях используются тензометры с бифиллярной спиральной намоткой, изготовленные из константанового остекло­ ванного микропровода. Весьма перспективны фольговые тензо­ метры мембранного типа.

Применение полупроводниковых тензометров позволяет создать приборы с высокой собственной частотой для измерения очень малых по величине пульсаций давления (нижний предел — не­ сколько кП м 2). Эти тензометры целесообразно использовать для исследования пульсаций давления в относительном движении. Сравнительно большой разброс параметров полупроводниковых тензометров, препятствующий широкому применению их для измерения напряжений, не играет большой роли, поскольку практически каждый прибор для измерения нестационарных давлений проходит индивидуальное тарирование. Применение

полупроводниковых, как и любых других типов тензометров, для измерения постоянной составляющей давления требует осу­ ществления специальных мер по устранению влияния темпера­ туры на показания приборов. При этом следует иметь в виду, что для некоторых типов полупроводниковых тензометров влия­ ние температуры в диапазоне 20— 100° С незначительно.

Из группы генераторных датчиков практический интерес для исследования нестационарных процессов в проточной части ц. к. представляют приборы, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, который проявляется в том, что при сжатии некоторых пьезоак­ тивных материалов на их поверхности появляются электрические заряды. Приборы, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, используются для измерения переменной составляющей давления.

Для создания пьезоэлементов обычно применяются искус­ ственные пьезокерамические материалы: титанат бария, цирконат-

нестационарных процессов в ц. к. с высокими окружными ско­ ростями. Все основные характеристики применяемых пьезокера­ мических материалов имеются в специальной литературе [19].

Собственные частоты колебаний чувствительных элементов, изготовленных из пьезокерамических материалов, намного пре­ вышают наивысшую частоту пульсаций давления, которые иссле­ дуются в ц. к. Это является одной из главных причин, позволяю­ щих рекомендовать использование приборов, основанных на пьезоэффекте, для исследования высокочастотных пульсаций дав­ ления в ц. к. Существенным недостатком пьезоэлектрических при­ боров является трудность измерения постоянного давления, за­ ставляющая использовать сложные методы динамического тариро­ вания. Другим недостатком является малая помехоустойчивость

сопротивлением. Рассмотрим примеры исполнения приборов,

т. п. д. с протоком. Через приемное отверстие давление подается в полость под мембрану 5, заделанную между крышками 2 и 4. Мембрана выполнена из стали У-10 и приклеена к крышкам клеем БФ-2. Крышки скрепляются между собой также клеем. Головка зонда крепится к трубке 1 пайкой. Диаметр чувстви­ тельного элемента 5,5 мм, толщина мембраны 0,03 мм. В качестве преобразователя используется тензометр 6 с прямоугольной решеткой, имеющий базу 2 мм. Сопротивление тензометра, изго­

тока ±35°. Зонды пригодны для исследования нестационарных процессов с частотой до 2000 гц.

На рис. 95 приведены записи этими зондами пульсаций давле­ ния в характерных точках проточной части при различных ре­ жимах работы центробежной ступени1. Испытания проводились на одноступенчатой экспериментальной модели, включающей

сов. В измерительный комплекс входят тензостанция типа УТС1-ВТ-12/35 и магнитоэлектрический осциллограф типа Н 102.

Для измерения пульсаций статических давлений на стенках проточной части и в каналах рабочего колеса на кафедре компрессоростроения ЛПИ им. М. И. Калинина созданы датчики с полу­ проводниковыми тензометрами. Малые габариты датчиков позво­ ляют устанавливать их в покрывающие диски рабочих колес

клеен полупроводниковый тензометр 4, изготовленный из вы­ соколегированного кремния р- или n -типа с удельным сопро­

Датчик закрыт крышкой 5 из текстолита, на которую электро­ литическим способом нанесены два медных сектора 6, разделен­ ные изолирующими промежутками. Выводные концы тензометра проходят в паз в крышке и распаиваются на медных секторах.

1 О. А. Г ородецкий . Исследование некоторых нестационарных яв­ лений в проточной части центробежной компрессорной ступени с безлопаточным диффузором. Автореферат канд. диссертации, ЛПИ, 1968, с. 14.

Зазор между мембраной и крышкой обеспечивается дистанцион­ ным кольцом 2.

В крышке имеются отверстия под специальный ключ, исполь­ зующиеся при установке датчика на объект. Крышка загермети­ зирована специальным клеем. Датчик давления проходит пред­

ром. Одним из полюсов пьезоэлемента является внутренняя поверхность цилиндра, к которой припаивается выводной про­ вод 6; другим полюсом является наружная поверхность ци­ линдра, соединенная с корпусом зонда 7. Внутренняя изоля­ ция выводного провода осуществляется фарфоровой трубкой 5, вставленной в тело зонда 4; головка 2 припаивается к мед­ ной трубке диаметром 5 мм. Этот размер выбран исходя из раз­ меров проходного отверстия координатников.

Электрический сигнал снимается со специального одноштырь­ кового разъема, к внутреннему штырю 8 которого подпаян вывод­ ной провод, а вторым полюсом, как уже сказано, является корпус прибора 7.

Малогабаритный пьезокерамический зонд может быть рекомендо­ ван для исследования нестационарных процессов высокой частоты— вплоть до 20 кгц — в практически плоском потоке, например при изучении вращающихся следов за лопатками рабочего колеса.