книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

дов. В этих случаях не возникает серьезных затруднений, если не считать учета влияния длины соединительной линии, темпе­ ратуры, вибрации проводов, а также изменения емкости проводов при их перемещении относительно окружающих предметов.

При измерении параметров потока датчиками, перемещаю­ щимися вместе с объектом измерения, в частности, при измерении мгновенных давлений на вращающемся колесе, линия связи является одним из основных узлов, определяющих помехоустой­ чивость и чувствительность измерительного комплекса. Через линию связи осуществляется подвод питания датчиков и пере­ дается сигнал от преобразователей на усилитель.

Принципиально возможны два метода передачи сигнала с вра­ щающихся частей установки на неподвижную: 1) применение токосъемных устройств; 2) использование радиотелеметрических систем.

В настоящее время разработано большое количество токо­ съемников различного типа, которые можно разбить на две группы: с механическим контактом (щеточные и ртутные) и бесконтактные (индуктивного, или трансформаторного, типа).

Щеточные токосъемники отличаются простотой конструкции, однако они могут использоваться лишь при сравнительно невысоких числах оборотов. Кроме того, они обладают высоким уровнем шумовых помех. Существуют методы, уменьшающие влия­ ние переходных сопротивлений, однако эти методы сложны и мало пригодны при измерениях переменных давлений.

Ртутные токосъемники имеют очень малый уровень шумовых помех; в лучших конструкциях он не превышает эквивалентного значения относительной деформации е = 10 ~6. Имеются ртутные токосъемники, позволяющие производить измерения при скорости вращения до 50 000 об!мин. Моторесурс токосъемников составляет около 100 ч, В работе [43] описана конструкция ртутного токо­ съемника, используемого при тензометрировании высокооборот­ ных установок.

Схема токосъемника показана на рис. 98. Ротор выполнен в виде полого валика /, на который насажены контактные кольца 6> электроизоляционные втулки 7, хвостовик привода 2 и колодка 9 со штырями 10 для припайки проводов. Контактные кольца изолируются от валика конденсаторной бумагой, наклеенной на валик. Контактные кольца и электроизоляционные втулки кре­ пятся на валике клеем БФ-2. Провода, соединяющие кольца 6 со штырями, защищены от повреждений трубкой 8, Контактные кольца 4, разделенные электроизоляционными втулками 5, размещены в корпусе статора 3, выполненном из алюминиевого сплава. Для изоляции контактных колец от статора поверхность последнего, соприкасающаяся с контактными кольцами, аноди­ рована на глубину 0,05—0,1 мм. Выходные провода токосъем­ ника 11 идут от контактных колец статора.

k 6

У^77У7?УУУУУ){УУ7УУУУ77777Л

Рис. 98. Восемнадцатиканальный высокооборотный ртутный токосъемник

g

Статор токосъемника вставлен в наружный корпус 12. В зазоре между корпусом и статором циркулирует вода, охлаждающая токосъемник. Провода от ротора компрессора проводятся через полый валик ротора и распаиваются на штырях 10 колодки 9. Контакт электрических цепей ротора и статора осуществляется

в которой индуктируется электрический сигнал при прохождении вблизи постоянного магнита 14 выступа втулки 15, закреплен­ ной на роторе.

Ротор вращается в шарикоподшипниках высокого класса точ­ ности с текстолитовыми сепараторами; смазка подшипников осу­ ществляется за счет пропитки сепараторов турбинным маслом марки Л.

Резиновая муфта с дюралевыми наконечниками и стальными кольцами соединяет ротор токосъемника с ротором компрессора.

Токосъемник имеет восемнадцать каналов; это позволяет снимать сигнал одновременно с девяти датчиков, установленных на колесе, если используется компенсация с помощью магазина сопротивлений при мостовом методе измерений или же потенцио­ метрическая схема включения датчиков. Если компенсационные датчики установлены также на колесе, то токосъемник позволяет передавать информацию одновременно с шести датчиков.

Поскольку обычно приходится устанавливать большее коли­ чество датчиков давления, то к рабочему колесу крепится спе­ циальная переходная колодка из текстолита с медными штырями. Провода от датчиков распаиваются на штырях колодки. Контакт­ ные штыри перемычками соединяются с каналами токосъемника. Это позволяет избавиться от повторной разводки проводов на колесе. Провода, уложенные в специальные канавки на поверх­ ностях покрывающего и рабочего дисков, заливаются эпоксидной смолой.

Описанная конструкция токосъемника — лучшая из известных разработок; она позволяет производить измерения пульсаций дав­ ления внутри колес, вращающихся со скоростью до 50 000 об/мин, с очень малым уровнем собственных шумов токосъемника. При этом уровень шумовых помех практически не зависит от числа оборотов.

К недостаткам токосъемника следует отнести высокую стоимость, обусловленную жесткими допусками на изготовление его деталей, а также ограниченный моторесурс, не превышающий нескольких десятков часов.

В настоящее время созданы конструкции бесконтактных токо­ съемников индуктивного типа, моторесурс которых в основном

пазоне частот 0— 1000 гц; другая разработка такого токосъемника

для проведения измерений на вращающихся колесах ц. к., во втором случае усложняется проблема тарирования измеритель­ ного комплекса. Введение временной селекции усложняет элек­ тронную аппаратуру и не позволяет использовать серийные тен­ зометрические усилители.

Таким образом, малое число каналов, ограниченный частотный диапазон и существенное усложнение схемы измерительного комплекса не позволяют в настоящее время применять бесконтакт­ ные токосъемники индуктивного типа для исследований неста­ ционарных процессов в ц. к. в относительном движении.

Радиотелеметрические системы нашли широкое применение при дистанционной передаче сигналов от приборов, установленных на движущихся объектах.

Для передачи электрических сигналов могут быть исполь­ зованы различные системы модуляции. Наиболее перспективной является импульсная модуляция, позволяющая создать много­ канальную систему с повышенным напряжением питания преобра­ зователей. При использовании полупроводниковых тензометров импульсное питание позволяет свести к минимуму влияние разо­ грева тензометра под действием питающего тока. Использование импульсной модуляции позволяет облегчить решение задачи ввода информации в счетно-решающие машины.

Однако в настоящее время, несмотря на отсутствие принци­ пиальных трудностей, еще не создан комплекс радиотелеметрической аппаратуры, пригодной для исследования пульсаций давле­ ния в рабочих колесах ц. к. в относительном движении. Это объясняется высокими числами оборотов, которые вызывают большие перегрузки в элементах радиотелеметрической системы, установленных на вращающихся частях установки, жесткими тре­ бованиями к габаритам установки, сложностью размещения мало­ габаритных источников питания. Не исключено, что значительные перегрузки от центробежных сил и большое количество проме­ жуточных блоков системы приведут к уменьшению точности и надежности измерительного комплекса.

Поэтому в настоящее время для проведения исследований нестационарных процессов в ц. к. в относительном движении может быть рекомендован комплекс аппаратуры, созданный на кафедре компрессоростроения ЛПИ им. М. И. Калинина, в ко­ тором использованы описанные в п. 33 полупроводниковые датчики

в каналах р. к. и в бл. д. центробежного компрессора, полученной на кафедре компрессоростроения ЛПИ им. М. И. Калинина с помощью датчиков давления с полупроводниковым тензометром.

Датчики давления установлены на основном диске у рабочей и нерабочей стороны лопаток (D = 258 мм) и на входе в меж лопаточныи канал. Для определения характера течения в безло-

У '

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ АЛ ^ VUv /и^

6

7

9 —■ Рис. 99. Осциллограмма пульсаций статического давления в каналах рабочего

паточном диффузоре записывался сигнал от тензометрического зонда пульсаций давления, установленного на входе в бл. д. (D — 288 мм), Отметка числа оборотов производилась индук­ ционным отметчиком.

Д ля оценки уровня вибрационных и шумовых помех на вра­ щающемся колесе устанавливались специальные «глухие» датчики. Поскольку «глухие» датчики находились практически в тех же условиях, что и рабочие датчики, но на вход приборов давление не подавалось, то показания их отражали влияние вибрационных помех и помех, создаваемых токосъемником. Как видно из пред­ ставленной на рис. 99 осциллограммы, суммарная величина помех не превышает толщины линии светового луча. Максимальная амплитуда пульсаций давления на представленной осциллограмме

равна 50 кГ!м2. Измерительный комплекс включал в себя кроме тензометрических датчиков давления с полупроводниковым тензо­ метром (рис. 96) и ртутного токосъемника (рис. 98) также тензостанцию УТС1-ВТ-12/35. Регистрация процессов осуществлялась с помощью светолучевого осциллографа типа КЮ5 на фотобу­ маге шириной 120 мм. Использовались вибраторы типа М004-2,5.

3 5 . У с и л и т е л и и р е г и с т р и р у ю щ а я а п п а р а т у р а

Тип усилителя определяется выбранным типом преобразова­ теля неэлектрической величины в электрическую.

Для пьезоэлектрических датчиков применяются усилители переменного тока с высоким входным сопротивлением, располо­ женные для уменьшения влияния помех в непосредственной бли­ зости от датчиков. Входное сопротивление усилителя обеспечи­ вается применением катодного повторителя или лампы, работаю­ щей в электрометрическом режиме. При разработке схемы на транзисторах первый каскад выполняется на малогабаритной лампе. Обычно коэффициент усиления усилителя выбирается небольшим (порядка 30—40); это позволяет при использовании пьезокерамических материалов типа титаната бария или ЦТС-19 наблюдать процессы на экране катодно-лучевого осциллографа. Если необходимо записывать процесс на светолучевом осцилло­ графе, используется дополнительный усилитель переменного тока с низкоомным выходом.

При использовании тензометрических преобразователей при­ меняется стандартная тензометрическая аппаратура, серийно выпускаемая промышленностью.

Для индуктивных и емкостных преобразователей можно в не­ которых случаях использовать тензометрическую аппаратуру, хотя обычно для них применяются специализированные усили­

исследования нестационарных явлений в ц. к. рассмотрим общие принципы работы и некоторые типы тензометрических усилителей, называемых тензостанциями [18].

Тензостанции можно разбить на группы в соответствии с ти­ пом измеряемой деформации: 1) статической деформации; 2) дина­ мической деформации; 3) статических и динамических деформаций.

При измерении динамических деформаций тензостанции ра­ ботают по потенциометрической схеме; при измерении статических и стато-динамических деформаций — по мостовой схеме.

При использовании потенциометрической схемы регистрируется

Балансные и небалансные мостовые схемы работают как на постоянном, так и на переменном токе. Балансировка мостов постоянного тока по активному сопротивлению осуществляется,

в диагональ питания подключается балансировочный конденсатор. На рис. 100 изображена блок-схема стато-динамической тензо­

метрической аппаратуры.

Эта аппаратура позволяет одновременно измерять переменную и постоянную составляющие давления. Максимальная частота

Сеть паратуры

регистрируемых процессов достигает 7 кгц. Применив усилитель, работающий по потенциометрической схеме, можно повысить верхний предел частоты регистрируемых пульсаций до 30 кгц. Однако при этом прибор не будет реагировать на постоянное давление, что усложнит тарирование измерительного комплекса.

Преобразователь включается в мостовую схему М, питаемую переменным синусоидальным напряжением от генератора Г . Изменение сопротивления датчика вызывает возникновение на выходе мостовой схемы амплитудно-модулированных колебаний, в которых несущая частота, т. е. частота питания мостовой схемы, промодулирована частотой измеряемого процесса.

Амплитудно-модулированные колебания через усилитель У поступают на фазочувствительное устройство ФЧУ, которое вы­ деляет огибающую амплитудно-модулированного колебания и позволяет определить знак измеряемой деформации. На выходе ФЧУ включен фильтр Ф и индикатор И — магнитоэлектрический или электронный осциллограф. Для питания усилителя и генера­ тора имеется блок питания БП . Балансные устройства Б У служат для балансировки входного моста.

Для исследования высокочастотных пульсаций давления в ц. к. можно применять тензостанции типа УТС1-ВТ-12/35 и ИТУ-6, работающие по принципу амплитудной модуляции измеритель­ ных мостов, и тензостанцию типа Т-11М, работающую по потенцио­ метрическому принципу. Однако при использовании динамических тензостанций тарирование прибора усложняется.

При работе с тензостанциями на несущей частоте, особенно при сравнительно высоком значении несущей частоты (35—50 кгц), появляются дополнительные трудности, связанные с необходи­ мостью выполнять разводку проводов коаксиальным кабелем.

Основные технические характеристики рекомендуемых тензо­ станций приведены в приложении 11.

Для регистрации электрического сигнала на выходе из усили­ теля обычно используются светолучевые осциллографы магнито­ электрической системы, описание которых можно найти в спе­ циальной литературе [57].

Светолучевые осциллографы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами регистрирующей аппаратуры. При использовании этих приборов имеется возможность осуществлять непрерывную запись нескольких процессов и управлять записью с помощью систем дистанционного управления.

Однако светолучевые осциллографы магнитоэлектрического типа имеют некоторые недостатки. Главным из них является ограниченный частотный диапазон, подчас не позволяющий исполь­ зовать полностью преимущества некоторых типов приборов, в частности пьезоэлектрических датчиков; однако у некоторых типов вибраторов собственная частота колебаний достигает 20 кгц, что позволяет регистрировать процессы, происходящие с частотой 6 кгц. Кроме того, при обработке полученной информации на универсальных или специализированных счетно-решающих ма­ шинах для ввода информации приходится использовать сложные электронно-оптические считывающие устройства, преобразующие кривую изменения процесса во времени, записанную на фото­ пленке или фотобумаге, в электрическое напряжение. Ввод инфор­ мации в вычислительную машину упрощается при использовании магнитной записи.

Наибольшее распространение для регистрации нестационарных процессов нашли магнитоэлектрические осциллографы типа Н102 или МП02, позволяющие осуществлять одновременно запись на кинопленке шириной 35 мм и наблюдение на специальном экране восьми процессов. При этом обычно один из вибраторов заменяется отметчиком времени 500 гц, питающимся от внутрен­ ней схемы осциллографа. Для осциллографов типа Н102 и МП02 используются вибраторы типа Н135 и МОВ2.

Максимальная скорость протяжки киноленты в осциллогра­

Для расширения амплитудного диапазона регистрируемых пульсаций используется магазин шунтов и добавочных сопротив­ лений типа Р1.

Светолучевой двенадцатиканальный осциллограф типа КЮ5 позволяет одновременно записывать на фотобумаге шириной до 120 мм или на кинопленке шириной 35 мм и наблюдать на экране двенадцать различных процессов. При этом можно’использовать фотобумагу типа УФ, чувствительную к ультрафиолетовым лучам, позволяющую обойтись без химического проявления. Скорость протяжки фотобумаги увеличена до 10 000 мм/сек, отметка вре­ мени осуществляется специальным оптико-механическим устрой­ ством линующего типа. Частота отметки времени определяется скоростью протяжки и равна 500 гц для скоростей протяжки 1000, 2000, 5000 и 10 000 мм!сек.

В осциллографе КЮ5 используются гальванометры — вставки типа М1012 или М004, при этом предельная частота собственных колебаний шлейфа гальванометра достигает 10 кгц. В комплект осциллографа КЮ5 входят магазины шунтов и добавочных сопро­ тивлений типа Р155, Р156 и Р157, расширяющие амплитудный диапазон измерений.

Для визуального наблюдения и фотографирования установив­ шихся периодических процессов наиболее пригодны электронные катодно-лучевые осциллографы. В настоящее время в СССР

выпускается большое количество однолучевых осциллографов; из них чаще всего используются осциллографы типа С1-1, С1-4, С1-8, С1-19. Имеются конструкции двухлучевых осциллографов, например Cl-16, Cl-18, С1-34, и пятилучевых осциллографов типа 0 -3 3 .

Выпускаются осциллографы с коммутирующими устройствами, подключающими поочередно несколько датчиков на вход одно­ лучевого или двухлучевого осциллографа. При наличии комму­ таторов на экране однолучевого осциллографа можно наблюдать одновременно до четырех процессов.

Наиболее целесообразно использовать катодно-лучевой осцил­ лограф с коммутирующим устройством и киноприставкой для регистрации высокочастотных процессов, поскольку частотный диапазон катодно-лучевых осциллографов охватывает область 0—50 кгц.

При использовании катодно-лучевых осциллографов проще создавать выходные каскады усилительной аппаратуры, так как входное сопротивление осциллографа очень высокое. Для тензо­ метрической аппаратуры, работающей по потенциометрическому принципу, не возникает никаких трудностей при наблюдении процессов на экране катодно-лучевого осциллографа. При исполь­ зовании усилителей с амплитудной модуляцией на кафедре ком­ прессор остроения ЛПИ им. М. И. Калинина применяется фильтр низких частот, настроенный на несущую частоту. Фильтр выде­