книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин
..pdfДля лабораторного тахометра КТЛ-16 погрешность измерения в диапазоне 500— 15 500 об/мин составляет ±0,05% . В качестве датчика применен синхронный генератор переменного тока повы шенной частоты.
Контрольный лабораторный тахометр КТЛ-10 используется как с индукционными, так и с фотоэлектрическими датчиками. Фотоэлектрический датчик состоит из осветителя, фотоэлемента ФСА-1 и диска с двумя рядами калиброванных отверстий, наса живаемого на вал, скорость вращения которого измеряется. Диа пазон измеряемой скорости вращения ПО— 11 000 об/мин, погреш ность измерения ±0,03% .
Электронный тахометр ТПШ-2 позволяет измерять скорость вращения в диапазоне 1000—22 500 об/мин с погрешностью ±0,05% . В качестве датчика также используется устройство с фотоэлементом. Прибор предназначен для испытания микро машин, но может быть применен и в любых других случаях при измерениях скорости вращения.
Тахометры, выполненные как электронные быстродействующие счетные устройства, позволяют получить еще большую точность измерения. Принцип действия таких приборов основан на измере нии числа периодов неизвестной частоты напряжения, получаемого с датчика, за строго определенный период времени, задавае мый кварцевым генератором. Для подсчета числа периодов изме ряемое напряжение при помощи формирующих устройств преобра зуется в односторонние импульсы с фиксированной амплитудой, управляющие работой триггеров — элементов схемы, обладаю щих двумя устойчивыми состояниями. Триггеры, в свою очередь, определяют работу сигнальных ламп. В результате измерения на счетном табло остаются гореть лампы, соответствующие числу поступивших на схему импульсов.
Прибор УСП-100, созданный на таком принципе, позволяет
измерять скорость вращения |
в диапазоне 100— 100 000 об/мин |
с погрешностью ±0,001% (± 1 |
об/мин). В качестве датчиков ис |
пользуются фотоэлектрический генератор и индукционные датчики. Сравнение способов и приборов для измерения скоростей вращения позволяет рекомендовать более широкое применение при испытаниях ц. к. приборов с электронными схемами, не смотря на их относительную сложность и необходимость специаль
ных приспособлений для установки датчиков.
В приложениях 12— 14 приведены основные технические харак
теристики |
тахометров различных типов [89], |
|
4 0 . О п р е д е л е н и е п р о и з в о д и т е л ь н о с т и |
Весовая |
или объемная производительность компрессора — |
одна из главных его характеристик. Определение ее является важной составной частью исследования.
16 Ю Б Галеркин |
241 |
Измерение производительности может быть произведено сле дующими основными способами: 1) с помощью дроссельных уст ройств; 2) по определенному с помощью пневмометрических трубок полю скоростей; 3) по методу теплового баланса.
Измерение производительности с помощью дроссельных устройств основано на переходе потенциальной энергии газа в кинетическую при изменении площади поперечного сечения струи.
Для идеального газа по уравнению Бернулли
2 + Ô- — const.
2g
Тогда для двух разных сечений 1—1 и 2—2 (рис. 115) при пре небрежении пьезометрическим напором и сжимаемостью можно
записать
>4 |
■ |
1 |
иУ-i______ 1, .CNI |
|
|
II , |
s 1 |
1 |
|
||
|
! |
‘ |
|
Г Т | |
|
1 |
2 |
|
Рис. 115. Схема сужающего устройства Отсюда
P i~ P 2
2g
Используя уравнение нера зрывности F & = F2c2 и имея F J F X= pm, получим
= Ц = г У Ц -iP i— p*)' V 1 — ц2т
V = c2F2 - |
F2 |
jlizmf Y ^ (Р г — Pt)- |
(190) |
|
/ Г |
|
Полученное уравнение справедливо лишь для идеальной жидкости, поскольку в нем не учтены неравномерность профиля скоростей и потери на участке между сечениями. При определении расхода эти отклонения от идеального течения учитываются введением поправочного коэффициента. Кроме того, удобнее пользоваться не площадью сечения струи F 2, а площадью проход-
ного сечения |
в сужающем устройстве F 0 = |
. |
|
|||
С учетом сказанного можно записать |
|
|
|
|||
|
V — a F 0 Y Ц~{Р1 — Ръ) м31сек; |
(191) |
||||
|
G = Vy = a F 0V 2 g y (p 1 — р2) |
кг/сек, |
(192) |
|||
где |
а — коэффициент |
расхода; |
|
|
|
|
|
у — удельный |
вес |
среды |
в |
кГ!м3; |
устройстве |
Pi — р 2 = Ар — перепад |
давления в |
сужающем |
||||
|
в кГ/м2. |
|
|
|
|
|
Если перепады давления в сужающем устройстве велики и сжимаемостью пренебречь нельзя, используется уравнение адиа баты. Теплообменом при этом пренебрегаем:
|
|
Y2 |
|
(193) |
|
|
Y1 |
|
|
|
|
|
|
|
Уравнения расхода с учетом сжимаемости |
|
|||
|
V = |
aeF0 ]/" — (рг — р^) м3/сек; |
(194) |
|
|
G = |
aeF0 Y 2gyx (pt — p2) кг!сек. |
(195) |
|
Коэффициент расхода а любого из сужающих устройств, |
||||
изображенных на рис. 116, зависит |
от степени сужения, |
числа |
||
Re и |
шероховатости |
трубопроводов. |
Коэффициент расхода |
диа |
фрагм |
зависит и от |
степени затупленности входной кромки. |
||
Для всех нормализованных диафрагм л сопел коэффициент а определен опытным путем. Для конкретной диафрагмы вычисле ние этого коэффициента производится по формуле
|
а = |
|
|
|
(196) |
|
где а и = f (т) — исходный |
|
коэффициент расхода, |
общий |
для |
||
устройств данного |
типа; |
|
|
|
||
К 1 — поправочный |
коэффициент, |
зависящий от |
числа |
Re |
||
(при Re < Renped)\ |
|
учитывающий |
шерохова |
|||
К 2 — поправочный |
коэффициент, |
|||||
тость трубопровода; |
|
|
|
|||
Кз — поправочный |
коэффициент, |
учитывающий |
неостроту |
|||
входной кромки |
диафрагмы. |
|
|
|
||
Для сопел коэффициент |
расхода |
|
|
|
||
|
а = |
a uKiK2- |
|
(197) |
||
Коэффициент е является |
|
сложной |
функцией m, |
k и |
Pi |
|
|
|
|
|
|
|
|
Поэтому при определении расхода его не вычисляют, а поль зуются табличными данными или номограммами.
Устанавливать сужающие устройства желательно на всасы вающем трубопроводе модели, поскольку характеристики ц. к. строятся в функции от производительности по всасыванию и пере счет приведет к дополнительным погрешностям.
Измерение расходов с помощью сужающих устройств сле дует производить согласно «Правилам 28—64» [65]. Следует помнить, что при использовании диафрагм и сопел, изготовлен
ных |
до 1/1 1965 г., необходимо использовать «Правила 27— |
54» |
[64]. |
ВПравилах указаны методика и формулы расчета, требования
красходомерам и методика их поверки, а также методика опре
деления погрешности |
измерений. Весьма полезной |
при расчете |
||
и |
использовании дроссельных устройств |
является |
также ра |
|
бота [106]. |
|
расхода |
производить |
|
|
В работе [74] рекомендуется измерение |
|||
с |
помощью диафрагм, |
установленных на |
торце всасывающего |
|
Рис. 116. Различные сужающие устройства для измерения произво дительности компрессора:
а — диафрагма; б — сопло; в — сопло Вентури
трубопровода. При этом по опытным данным коэффициент расхода а и составляет 0,6 при любом отношении d/D (d — диаметр отвер
стия диафрагмы; D — диаметр трубопровода). Весовой расход G определяется по следующей формуле:
|
G = |
3,48aed2 Y Уа Др кг!сек, |
(198) |
|||
где |
а = аиКяеКкр — коэффициент расхода; |
|||||
Къе, |
Ккр — поправки |
на |
коэффициент |
расхода, зависящие |
||
|
от числа |
Re |
и остроты кромки (вводятся при |
|||
|
Re < |
Renped = |
5,5* 104 и D |
< |
0,25-f-0,3 м)\ |
|
|
8 = 1 — 0,311 — — поправка |
на |
сжимаемость; |
|||
|
|
|
Ра |
|
|
|
|
ра — барометрическое давление; |
|
|
|||
|
Ар — перепад |
на диафрагме. |
|
|
||
В работе В. И. Ханжонкова |
[92] рекомендуется для измерения |
|||||
расхода использовать входной участок трубопровода без установки каких-либо сужающих устройств. Вычисление расхода произво дится по формуле
G = Ф-Fi V ZgVaipa — Pi) кг!сек, |
(199) |
где F x — площадь поперечного сечения всасывающего трубопро вода в м2\
Рх — давление во всасывающем трубопроводе в кГ/м2;
Ф— коэффициент расхода, зависящий от формы входного коллектора (ф = 0,993 при входном коллекторе, очер
ченном по лемнискате, и ф = 0,99 в случае, когда об воды коллектора выполнены по радиусу).
Основная вероятная погрешность измерения расхода диафраг мами, соплами и соплами Вентури составляет 0,5—0,8% [106]. С учетом дополнительных погрешностей точность измерения рас хода с помощью дроссельных устройств можно считать равной примерно 1%.
Для уменьшения погрешности измерений следует принимать возможно большие значения диаметра трубопровода, на котором устанавливается устройство, и возможно меньшее значение модуля т = d2/D2. Погрешность определения расхода по форму лам (198) и (199) имеет такой же порядок.
При невозможности применить нормализованные устройства для измерения расхода его величина может быть определена по профилю скоростей в мерном сечении. Этот более сложный спо соб используется при отсутствии на экспериментальной установке достаточно длинных прямых участков трубопроводов, при необ ходимости определения расхода в сечениях, где нормализованные сужающие устройства вообще не могут быть установлены, напри мер в сечении за рабочим колесом или непосредственно перед ним, или вообще в условиях сильно деформированного профиля скоростей.
По данным измерений строится профиль скоростей в сечении. Для построения профиля скоростей непосредственно у стенки, где измерение с помощью трубок полного давления невозможно, используется закон распределения скоростей при турбулентном течении в круглой трубе
|
|
(200) |
где |
у — расстояние от стенки; |
|
|
г — внутренний |
радиус трубы; |
|
сшах — значение скорости на оси трубы. |
|
|
В кольцевом сечении |
вместо г следует использовать половину |
расстояния между стенками:
с = с. |
(200а) |
'max |
|
Можно, записав выражение (200а) для двух значений скорости, исключить С(Пах. Тогда текущее значение
с = b ( f ) 7 . |
(20°б) |
где сг — скорость в точке, ближайшей к стенке.
Определив профиль скоростей, можно получить величину
расхода через мерное сечение, интегрируя выражение dV = cd F , где dF — элемент площади.
Для круглого или кольцевого сечения расход через кольце
вую площадку шириной dr равен dV = c2nrdr. |
|
|
Тогда |
|
|
г2 |
Г2 |
|
V = \ c2nrdr = |
2л j cr dr. |
(201) |
пГХ
Выражение (201) по теореме о среднем для определенных интегралов можно записать как
V = 2я (сг)ср (г2 — гх). |
(201а) |
Д ля нахождения V строим функцию сг, перемножая последо вательно текущие значения скорости и радиуса в функции от г. Определив с помощью планиметра (сг)ср (га—гг) и умножив его на 2л, получим искомый расход. При постоянстве профиля ско рости в сечении интегрирование для определения расхода можно произвести только вначале, а затем определить поправочный коэффициент для определения скорости. По интегрально опреде-
V ленному расходу определяется средняя величина скорости сср— у .
Затем для нескольких приемников давления, постоянно установ ленных в сечении, определяется тарировочный коэффициент
К = |
(202) |
При последующих экспериментах, умножая полученные зна чения с на коэффициент К, получают среднерасходную скорость в сечении.
По экспериментальным данным, полученным на кафедре компрессоростроения ЛПИ им. М. И. Калинина, разница в величинах расхода, найденных при использовании мерных диафрагм и по профилю скоростей, не превышает при тщательных измерениях величины порядка 1%. В некоторых случаях не представляется возможным измерить производительность двумя первыми мето дами (см. стр. 243). Такое положение может возникнуть при
испытании машин малой производительности при небольшом на
поре— так называемых микромашин (V = 1-ь0,1 м г/мин). Иногда для определения производительности таких машин применяют ротационные суммирующие расходомеры. Однако из-за присущих им больших погрешностей (до 5%) и значительных габаритов применение расходомеров не всегда оправдано. При испытаниях определить производительность микромашины можно по методу теплового баланса. Для этого в нагнетательный трубопровод помещается электрический нагревательный элемент. Количество
тепла, |
отданное элементом, |
|
|
|
||||
|
|
|
|
= |
0,24/2jR |
кал/сек, |
|
(203) |
где |
/ — сила тока в цепи нагревательного элемента в а\ |
|
||||||
|
R — сопротивление нагревательного элемента в ом. |
|
||||||
|
Количество тепла, |
полученное |
газом, |
|
|
|||
|
|
|
Qe = cpG (t2 — ^i) ккал/сек, |
|
(204) |
|||
где |
t lt |
t 2 — температура |
газа в |
трубопроводе |
соответственна |
|||
|
|
перед и за нагревательным элементом в °С. |
|
|||||
|
Приравнивая |
(203) |
и (204), получим |
|
|
|||
|
|
G = |
0,24PR |
10“ |
0,24/ R jq з кг/сек' |
(205) |
||
|
|
cp(t2 |
^l) |
CpAt |
|
|||
Для воздуха ср = 0,24 ккал/кг* град и
— |
/2D |
(206) |
Ge03d = |
-ду- 10 3 кг/сек. |
Оценим погрешность определения весового расхода G по методу теплового баланса.
Предельная относительная погрешность определения G
AG = |
ôG |
|
0/ |
dG |
± àR dR ~ |
|
|
G |
G |
dl |
|
||||
|
|
h)ï |
± |
2 AI ± AR: |
261 |
(207) |
|
|
|
h ~ h |
|||||
|
|
|
|
|
’ |
||
где ôG — абсолютная |
предельная |
погрешность. |
|
|
|||
Величины / и R могут быть измерены с большой точностью. Следовательно, для уменьшения погрешности определения рас хода необходимо увеличивать температурный перепад А/.
При применении приборов класса 0,2 для измерения / и R и термометров с ценой деления 0,1° С для определения А/ погреш
ность AG ^ 2,6% при At = 10°; AG ^ 1,6% при At = 20°.
----------------------------------------------------------------- Глава VIII
Э к с п е р и м е н т а л ь н ы е
с т е н д ы
41. О б щ и е п о л о ж е н и я
Испытательные стенды можно разделить на две группы.
К первой группе относятся стенды для проведения заводских испытаний с целью механической обкатки компрессоров и полу чения их суммарных характеристик. Эти установки подобны компрессорным станциям, но обладают большей универсальностью привода и отличаются системой газовых коммуникаций. В боль шинстве развитых зарубежных стран существуют стандартные правила испытания компрессоров, в которых приводятся типовые схемы экспериментальных стендов, дается методика обработки опытных данных, излагаются правила пересчета характеристик, требования к измерительной и регистрирующей аппаратуре и т. д. Наиболее полно эти вопросы освещены в работах [108, 109].
ВСССР подобные правила отсутствуют. В работе [74] приво дятся некоторые сведения по испытанию натурных компрессоров, основанные на опыте Невского машиностроительного завода им.
В.И. Ленина. Несмотря на острую необходимость в стандартных правилах испытаний, решить эту задачу в рамках предлагаемой книги не представляется возможным.
Вданной главе описаны схемы и наиболее перспективные конструкции установок второй группы, служащих для поэлемент ного изучения ступеней, секций и моделей компрессоров. В зави симости от поставленной задачи конструктивное оформление стенда, его технические характеристики, применяемая измери тельная и регистрирующая аппаратура могут быть различны. Основными техническими характеристиками стенда являются максимальная скорость вращения вала экспериментальной мо дели и мощность привода. Рассмотрим на конкретном примере определение этих величин.
Для универсального стенда с открытым контуром при иссле довании одно-, двухступенчатых моделей ступеней стационарного типа обычно применяют электропривод с одноступенчатым муль типликатором. Максимальная скорость вращения электродвига телей средней мощности (порядка нескольких сотен киловатт) обычно не превышает 3000 об/мин, а передаточное отношение
одноступенчатых мультипликаторов i |
6. В этом случае макси |
мальная скорость вращения вала моделей не будет превышать 18 000 об/мин.
Желательно, чтобы стенд позволял проводить испытания хотя бы некоторых моделей на окружной скорости, опережающей достигнутый уровень у существующих ц. к. Оценив эту скорость в 320—350 м/сек, получим, что диаметр колес экспериментальных
моделей должен составлять В г = |
^340 -^370 мм. При |
|
относительной ширине b JD 2 ^ 0,08 |
запирание |
колеса обычна |
имеет место при ф2 ^ 0,6-^-0,7; в этом случае у 2 ^ |
УнОпределен |
|
ная из этих условий весовая производительность составит при мерно 10 кг/сек, а при фг = 0,6 теоретическая мощность будет около 1200 к е т . Оценив неучтенные затраты мощности коэффи циентом 0,85, получим, что мощность электродвигателя подобного стенда не может быть ниже 1450 кет.
Снижение мощности может быть достигнуто повышением числа оборотов путем применения двух одноступенчатых мультиплика торов или многоступенчатого мультипликатора. При этом, однако* усложняется установка, снижается надежность вследствие повы шения числа оборотов модели и уменьшаются размеры модели* что усложняет расстановку приборов и может быть неприемлема из-за малых Rew.
Основным требованием к современному экспериментальному стенду является безопасность эксплуатации и удобство во время работы. Все основные рабочие узлы стенда должны быть выпол нены с повышенным запасом прочности. Несоблюдение этого тре бования приводит не только к травмам обслуживающего персо нала, но и к увеличению случайных ошибок измерения — про махов.
При проектировании экспериментальных стендов нельзя забы вать о высоком уровне шума, сопровождающего работу центро бежного компрессора и доходящего в отдельных случаях до 110— 120 дб и выше. Поэтому конструкция стенда должна обеспечивать надежную защиту обслуживающего персонала от шума, а такж е уменьшение шума вне помещения стенда. Модель с приводным:
двигателем, |
мультипликатором, |
системой смазки |
и |
охлаждения |
|
и |
прочими вспомогательными |
механизмами должна |
находиться |
||
в |
отдельном |
звукоизолированном помещении. |
Для |
установки |
|
с открытым контуром в целях снижения уровня шума в машинном зале всасывание и нагнетание модели следует располагать вне помещения. Поток на входе во всасывающий и на выходе из нагне тательного трубопровода создает высокий уровень шума и у стен дов большой мощности обладает энергией, способной травмиро вать человека или же нанести повреждения ближайшим сооруже ниям. Для предотвращения этого следует предусмотреть установку специальных глушителей, а забор воздуха и его выхлоп следует* организовывать в специальном огражденном месте.
Сама экспериментальная проточная часть совместно с нагне тательным и всасывающим трубопроводами должна быть надежно звукоизолирована. В большинстве случаев звукоизоляция совме щается с теплоизоляцией, необходимой для повышения точности определения температур и улучшения работы обслуживаю щего персонала. Для этой цели, как правило, применяется за мазка из жидкого стекла и асбестовой крошки или шнуровой асбест.
Наиболее радикальным средством, обеспечивающим нормаль ную работу, является размещение обслуживающего персонала в изолированной камере наблюдателей, отделенной от машинного зала звуконепроницаемой стеной с герметичной дверью и окнами для наблюдения за работой установки. В камеру наблюдателей по возможности должны быть вынесены управление измеритель ными приборами, все регистрирующие приборы и пульт управ ления ходовой частью стенда. Во время испытаний эксперимен таторы должны находиться в машинном зале минимально необхо димое для проведения измерений время.
Ходовая часть экспериментального стенда должна быть уни версальной, т. е. обеспечивающей без дополнительных монтажных работ и существенных переделок электрической и масляной схем работу экспериментальной проточной части в широком диапазоне режимов и чисел оборотов. В качестве привода наибольшее распро странение получили электродвигатели постоянного и переменного тока с бесступенчатым регулированием чисел оборотов. В послед ние годы для стендов небольшой мощности до 30—40 кет стали применять высокочастотные асинхронные электродвигатели, по зволяющие выполнять ходовую часть без мультипликатора, что особенно важно для экспериментальных стендов с замкнутым кон туром, так как сравнительно просто позволяет обеспечить полную герметизацию стенда.
Одним из важных требований к экспериментальным стендам является возможность правильного размещения измерительных приборов. Выполнять это требование необходимо даже в том слу чае, если при этом усложняются конструкция стенда и его монтаж, ухудшается технологичность и возрастает стоимость изготовле ния.
В отличие от ходовой части стенда не стоит стремиться к уни версализации исследуемых объектов. Опыт показывает, что при создании универсальных экспериментальных проточных частей, служащих, например, для исследования всех неподвижных эле ментов, несмотря на сокращение времени монтажа и изготовления, в конечном итоге увеличивается время проведения эксперимента, ухудшаются условия размещения измерительных приборов и ра боты обслуживающего персонала. Для каждой конкретной задачи целесообразно создавать набор сменных элементов проточной части. Нужно допускать любые усложнения для выполнения кон