Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

имени М. И. КАЛИНИНА

Факультет Кафедра
энергомашиностроительный компрессоростроения

ИСПЫТАНИЕ

ОДНОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4.1б

Ленинград
1974

ВВЕДЕНИЕ

Самые общие требования к программе и методике испытаний различных изделий устанавливаются ГОСТом 2. 106. 68 ЕСКД [5].

На основании ГОСТа разрабатываются подробные программы и методики испытаний изделий данной отрасли, входящие в отраслевые нормали. Например, на заводах Министерства химического и нефтяного машиностроения, выпускающих в том числе компрессоры, в настоящ ее время (с 1. V. 71 г.) действует “Положение о порядке проектирования, изготовления, испытания и передачи в серийное производство новых изделий профиля Минхимнефтемаша”, согласно которому новые изделия подвергаются за водским и приемным испытаниям. Основная методика и программа испытаний рассматриваются при утверждении технического проекта на изделие. Имеются руководящие технические материалы, устанавливающие содержание и порядок составления программы типовых испытани й данного класса машин.

Типовым испытаниям подвергаются головные машины каждой новой серии или опытно-промышленной партии, в дальнейшем — выборочные компрессоры серийных выпусков (например, в зависимости от серии десятая, пятидесятая, сотая и т. д. машины), а также одиночные компрессоры индивидуального производства. Типовые испытания включают в себя испытания механические (проверка работоспособности всех узлов и деталей, удобства обслуживания и ремонта), параметрические (определение фактических параметров и характеристик ко мпрессора и проверка соответствия их техническим условиям и расчетным данным) и испытания на надежность — проверка соответствия фактического времени безотказной работы машины или узла (или другого показателя надежности ) и времени, установленного техническими условиями.

Имеющиеся нормали определяют контролируемые, параметры, методы расчета характеристик, применяемые приборы, их точность и проверку, форму отчетности и т. д. Программы испытаний машин и их элементо в с научно-исследовательскими целями должны соответствовать поставленной задаче. При этом исследователи часто разрабатывают и применяют новые методы определения интересующих их величин, новые приборы и др.

В данной лабораторной работе описываются экспериментальные методы, с помощью которых можно получить данные для расчета всех необходимых величин, характеризующих в широком диапазоне расходов работу как компрессора в целом, так и отдельных его элементов . Постановка задачи близка к научно-исследовательской работе.

Цель проведения лабораторной работы

Целью данной лабораторной работы является ознакомление с современной методикой исследований в абсолютном движении, т.е. когда замер выполняется в неподвижных элементах проточной части (перед и за рабочим колесом (р. к.), в диффузоре, за ступенью и т. д. в зависимости от постановки задачи исследования). Как известно, можно выполнять исследования р. к. в относительном движении, когда приборы устанавливаются и замеры выполняются непосредственно во вращающемся колесе [2]. В результате проведенных испытаний должны быть получены:

1) характеристика компрессора, т. е. зависимость создаваемого напора или степени повышения давления от расхода, дающая возможность выбрать компрессор, соответствующий параметрам сети, рассчитать работу компрессора в сети и т. д.;

2) зависимость потребляемой компрессором мощности от расхода, что дает возможность правильно подобрать приводной двигатель;

3) зависимость коэффициента полезного действия (к. п. д.) машины от расхода, что позволяет оценить эффективность работы машины при различных режимах;

4) зависимости степени повышения давления, напора и к. п. д. от расхода для колеса, зависимости для диффузора и т. д. с целью исследования работы отдельных элементов проточной части;

5) степень реактивности; при испытании р. к. определяется критерий, характеризующий долю внутреннего напора, расходуемого на увеличение потенциальной энергии газа;

6) угол атаки i1; этот угол необходим с точки зрения понимания работы лопаточного аппарата при различных режимах;

7) структура потока на выходе из колеса; от нее в значительной степени зависит работа последующих неподвижных элементов ступени.

В зависимости от постановки задачи исследования могут быть получены и другие дополнительные характеристики (коэффициент сопротивления решетки, потери на протечки и трение и т. д.).

Рассмотрим, каким образом могут быть получены все названные характеристики.

Замеряемые параметры и расположение сечений замера

Для получения характеристик компрессора и элементов его проточной части должны быть замерены в различных сечениях проточной части полное давление, ст атическое давление, направление (углы) потока, температура газа, а также потребляемая компрессором мощность.

В настоящее время для измерения осредненных по времени полных и статических давлений и направления скорости (углов) потока наиболее распространены пневмометрические приборы. Одно из главных требований к таким приборам при измерениях в проточной части машин — малые их габариты, чтобы сами приборы вызывали возможно меньшее возмущение потока.

Измерение полного давления.

Насадки, служащие для измерения только полного давления, называются трубками полного давления (т. п. д.). В принципе полное давление можно измерить отбором давления в критической точке (в точке, где поток полно стью тормозится, скорость его равна нулю, кинетическая энергия переходит в энергию давления). Таким

Рис. 1. Схема трубки полного давления (т. п. д.)

прибором может служить т. п. д., изображенная на рис. 1. Однако такие трубки нечувствительны к углам скоса потока β, т. е. дают правильн ые показания только в диапазоне ±(10—15°), а к углам скоса δ — в пределах ± (2 — 6°) (рис. 2), что явно недостаточно. В последнее время широко применяются т. п. д. с протоком, изображенные на рис. 3. Они нечувствительны к углам скоса потока до ± (40 — 50°) при числах М до0,9.

Измерение статического давления.

Для измерения только статического давления служат трубки статического давления (т. с. д.). В принципе, это должны быть пластины или поверхности, расположенные вдоль линии тока с приемным отверстием перпендикуля рно к ней. Некоторые конструкции т. с. д. изображены на рис. 4. Однако проведенные измерения показали, что, например, на входе и выходе из ступени, на входе в р. к., в диффузоре и др. статические давления меняются по сечению незначительно, поэтому возмож но измерять статические давления на стенках сечения, т. е. дренированием стенки. Диаметр отверстия выполняется 0,5—1 мм.

Определение направления потока.

Для определения направления потока служат угломеры. Некоторые из аэродинамических

Рис. 2. Углы скоса потока β и δ

угломеров (а. у.) схематично представлены на рис.5. Принцип их действия основан на том, что давления в приемных отверстиях должны быть равны, если направление

Рис. 3. Схемы трубок полного давления с конфузором и протоком

скорости потока совпадает с аэродинамической осью прибора. Обычно приемные отверстия угломера подсоединяют к разным коленам U-образного манометра и поворотом угломера, установленного в специальном координатнике, добиваются совпадения уровней в обоих коленах. Угол поворота и будет равен углу β направления потока относительно начального направления, например относительно оси колеса.

Рис. 4. Схемы трубок статического давления (т. с. д.)

Определение производительности компрессора.

Производительность в основном может быть определена с помощью дроссельных устройств или по измеренным полям скоростей.

Рис. 5. Аэродинамические угломеры а, б — Г-образные; в — цилиндрический

Дроссельные устройства (сопла, шайбы и др.) изменяют площадь поперечного сечения струи, т. е. при условии неразрывности течения меняется его скорость, которая и определяет расход. Но по уравнению Бернулли изменение скорости связано с изменением потенциальной (статической) энергии газа. Для сечений I—I и 2—2 (рис. 6) можем записать при уcловии < FONT FACE="Arial CYR" SIZE=3>γ1≈γ2≈γ≈const, справедливом при малых скоростях в месте измерения

(Р1-Р2 )/ ρ=(Ρ2²-С1²)/2

Таким образом, замерив перепад статических давлений в сечениях I — I и 2 — 2, что сделать достаточно просто, и зная размеры и поправочные коэфф ициенты для данного сужающего устройства, получим расход. Подробно все эти вопросы изложены в [4]. Пользоваться сужающими устройствами для измерения расхода можно в том случае, если конструкция

Рис. 6. К определению расхода по диафрагме

стенда позволяет установить их на достаточном удалении от всевозможных источников возмущения потока — от колеса, лопаточных каналов, поворотов и т. д. Если установить нормализованные сужающие устройства нельзя, то р асход может быть определен по полю скоростей в сечении: замеряется поле скоростей, определяется средняя по расходу скорость и помножается на площадь сечения.

Определение потребляемой и внутренней мощности.

Потребляемая мощность складывается из подведенной к газу Ni и затраченной в подшипниках Nмех :Nе =Ni + Nмех. Мощность может быть определена следующими способами:

1) По измеренному перепаду температур и производительности:

(в системе СИ формула мощности записывается так: Ni

2) По измеренному крутящему моменту и угловой скорости (с этим методом студенты встречаются при выполнении других лабораторных работ, здесь он не рассматривается; см. также [2]).

3) По электрической мощности, если приводом служит электродвигатель.

В первом способе должна быть обеспечена теплоизоляция корпуса машины, иначе замеренный перепад температур получится заниженным. Этот способ наиболее прост, но при малом повышении давлений, т. е. при малых ∆ t, дает- большую погрешность. Здесь также встает вопрос о точном определении температур (см. ниже) .

По электрической мощности потребляемая и внутренняя мощность определяется с большей погрешностью, чем первыми двумя методами, так как должны быть учтены потери на трение в подшипниках электродвигателя, потери, вызываемые вихревыми токами, гистерезисом , в обмотках и т. д. (известно студентам из курса общей электротехники).

Измерение температур — одно из наиболее сложных задач при проведении эксперимента. В принципе поток, набегающий на термометр или термозонд, тормозится, и измеренная температура должна быть температурой полного торможения, т. е. полной температу рой Т*. Но поток тормозится только частично (в точке или нескольких точках), и теплоприемник принимает в результате теплообмена с потоком некоторую температуру Т_изм, лежащую между Т и Т* : Т* >Т_ИЗМ> Т. Статическая температура Т=Тизм—r( c²/2cp), где r-коэффициент восстановления данного термометра или т ермозонда, определенный его тарировкой. При тарировке строится также зависимость Т от Т/Т*, тогда по Т_изм и скорости С определяется Т, а по ней — величина полной температуры торможения Т* по графику.

Наиболее просто получить Tизм с помощью термометра, но такие измерения дают наибольшую погрешность из-за трудности при тарировке, влияния вибрации, необходимости теплоизоля ции и т. д. Кроме того, замер может быть снят только визуально, а не дистанционно, что при особо сложных испытаниях не допускается по условиям техник:и безопасности. Выпускаются термометры с ценой деления да 0,1°С.

Более точны и могут быть применена в узких каналах термопары, термозонды, термометры сопротивления. Наибольшее применение нашли термозонды, т. е. термопары, спай которых помещен в специальный корпус. Не они требуют специальной тарировки и градуировки и меряют или только перепад температур (два термозонда в разных сечениях), или разность температур холодного и горячего” спаев, тогда холодный спай должен находится в известной (О°С) температуре тающего льда.

В этом разделе кратко даны общие положения о проведении испытаний центробежных компрессоров. При проведении каждого конкретного испытания в соответствии с постановкой задачи решается вопрос о постановке эксперимента. Могут быть получены характеристики машины но полным или по статическим параметрам.

В практике расчета турбокомпрессоров, когда приходится сравнивать параметры машин разных размеров, разной производительности, Напоров, окружных скоростей, а также пользоваться результатами испытаний, выполненных на моделях, удобнее пользоваться не абсолютными величинами, а относительными в виде безразмерных характеристик.

Выбор сечений для замера параметров.

Выбор сечений и расстановка приборов определяются задачей исследования. Если нужно получить характеристики колеса, то необходимо замерить параметры на входе в колесо и на выходе из него (сечения 0—0; 2—2, рис. 7); характеристику машины в целом получим по показаниям приборов перед входом в компрессор и за ним (сечения 00 —КК) и т. д. (см. рис. 7). При теоретическом рассмотрении сечения, ограничивающие р. к. и ло па-

Рис. 7. Схема стенда

точный диффузор, считают проходящими по кромкам лопаток. Практически при эксперименте так приборы установить нельзя, так как на их показания будет влиять возмущающее действие каналов. Кроме того, поток здесь очень н еравномерный, и для получения средних величин надо увеличивать количество приборов (соответственно возрастает и обработка данных). Чтобы получить данные именно по исследуемому элементу, приборы должны быть расположены возможно ближе к нему. Поэтому распо ложение сечений принимается, как показано на схеме (см. рис. 7): сечения на входе в ступень и в рабочее колесо 0—0; в сечении 2—2 приборы устанавливаются на диаметре D = (1,06—1,08) D2. Конечное сечение К —К обычно должно быть удалено на расстояние трех калибров от начала нагнетательной трубы. Во всех сечениях для получения средних величин, закладываемых в расчет характеристик, должны быть сняты поля замеряемых величин или проверена их равномерность. Выполнять замеры в одной точке допускается только при упрощенных испытаниях или после предварительно установленной равномерности поля величин. Начальные условия, при которых проводится испытание, — это атмосферные условия (давление и температура). Давление определяется по барометру или по данным метеостанции. Температура засасываемого газа определяется с помощью термометра с ценой деления 0,1° С.

Лабораторная экспериментальная установка

Схема установки, на которой проводится экспериментальное исследование, показана на рис. 7. Здесь же даны и все обозначения. Компрессор одноступенчатый: ступень состоит из рабочего колеса (р. к.), лопаточного диффузора, сборной камеры (типа свернут ой набок улитки) и нагнетательного патрубка. Р. к. консольно насажено на вал с помощью специальной шлицевой втулки. Лопаточный диффузор и улитка отлиты заодно с корпусом. Приводом служит электродвигатель постоянного тока мощностью 75 кВт через повышающий редуктор с передаточным числом i=9,8. На стенде могут испытываться полуоткрытые колеса с различными углами выхода βл2

Обозначения на рис. 7:

1 — Реостат в цепи возбуждения электродвигателя для регулирования числа оборотов.

2,3 — Приборы (амперметры и вольтметры) для замера электрической мощности.

4 — Электродвигатель постоянного тока,

5 — Соединительная муфта.

6 — Повышающий редуктор.

7 — Дроссельная заслонка.

8 — Т. п. д. для замера полного давления р_к* в сечении. К-К.

9 — Т. с. д. для замера статического давления в сечении К-К.

10 — Термометр для замера температуры на нагнетании. // — Выходной патрубок.

12--- Безлопаточный диффузор

13 — Рабочее колесо.

14 — Т. с. д. для замера статического давления Pо в сечении 0—0.

15 — Т. п. д. для замера полного давления P₀* в сечении О—О.

16 -- Термометр для замера температуры на всасывании.

17 — Сверление для замера статического давления в сечении 4—4.

18 — Сверление для замера полного давления в сечении 4—4,

19 — Сверление для замера статического давления в сечении 2—2.

20 — Сверление для замера полного давления в сечении

21 — Аэродинамический угломер для измерения ос2° в сечении 2—2.

22 — Вращающийся направляющий аппарат.

23— Обтекатель.

24 — Дроссельная заслонка.

Сечения для замеров:

О—0 — Условия во всасывающем трубопроводе.

2—2 —Выход из рабочего колеса. *

4—4 — Выход из лопаточного диффузора.

К—К — Выход из ступени.

Измеряемые величины:

В сечении 0—0: t°C — температура на всасывании; р_а— ро — разность между атмосферным и статическим давлением (мм вод. ст .); р_а — ро* — разность между атмосферным и

полным давлением (мм вод. ст.)

В сечении 2—2: р2* — р_а= = f(b) —разность между полным давлением и атмосферным по ширине канала; р2 — р_а — разность между статическим давлением и атмосферным; 02° — f (b) — угол потока по ширине канала.

В сечении 4—4: р*— pa - разность между статическим давлением атмосферным; р₄* — Ра = f (b)—разность между полным и атмосферным давлением.

В сечении К —К: t_K — температура за ступенью; р_к* — р_к —разность между полным и статическим давлением; р_к* — р_а — разность между полным и атмосферным давлени ем.

Размеры ступени показаны на схеме рис. 8. Для колеса с β_Л2 = 90°: z=15, (β1)_Dн = 27°30 ́́́́́́́́, (β1)Dср =34°43', (β1 )DBt = 55° 24'. Число оборотов, при котором проводятся испытания равно

10 000 об/мин, что позволяет получить окружные скорости u2 ≈126 м/с. Напомним, что натурные средние окружные скорости колес стационарного типа составляют около

Рис. 8. Размеры проточной части стенда

280 м/с, а колес полуоткрытого типа 400 м/с. Снижение окружной скорости (числа оборотов) по сравнению с натурным связано с условиями техники безопасности и уменьшением шума при проведении учебной лабораторной работы.

Всасывание в компрессор производится с улицы через камеру фильтров. Кроме этих величин измеряются сила тока якоря I_я и напряжение u_я соответственно по амперметру и вольтметру, установленным в цепи якоря мотора, и сила тока и напряжение в цепи возбуждения — также по амперметру и воль тметру. Эти величины необходимы для определения электрической мощности Nэл. Число обороте n об/мин определяется электротахометром.

Все замеры снимаются для, 5—7 режимов по расходу. Режим устанавливается с помощью дроссельной заслонки на нагнетании.

Порядок проведения работы

Подготовку установки к работе, ее включение и вывод на требуемое число оборотов выполняет учебный мастер-механик.

После запуска машины необходимо, чтобы заданный режим установился (по температурам). После того как измеряемые температуры на входе и выходе установились постоянными при данном расходе (для контроля записывают температуры, измеренные в начале и в кон це эксперимента), можно снимать все остальные замеры.

Для определения полных параметров за колесом в сечении 2—2 и за диффузором в сечении 4—4 необходимо соответств ующие т. п. д. развернуть в координатнике по направлению потока. В сечении 2—2 это выполняется с помощью аэродинамического угломера (а. у.). А. у. установлен в том же сечении 2—2, что и т. п. д., замеряющая р₂*. О том, что угломер в данный момент напр авлен по потоку, т. е. его аэродинамическая ось совпадает с направлением потока, свидетельствуют одинаковые показания в обоих его отверстиях. В данной работе оба отверстия а. у. подсоединены к двум кoнцaм U-образной трубки. Угломер поворачивается в координатнике до тех пор, пока разность уровней в коленах U-образной трубки не будет равна 0. Угол Поворота есть угол α2 . На такой же угол разворачивается и т. п. д., замеряющая p2*. В сечении 4—4 т. п. д. для изме рения р4* с достаточной точностью может быть развернута по максимуму показания.

Все замеры давлений вынесены на щит. Электрические величины для определения мощности снимаются по соответствующим приборам.

Все величины, которые необходимо замерить, внесены в протоколы 1 и 3 и подробно разъяснены в тексте пособия. Студенты не компрессорных специальностей замер р₂* снижают только в среднем сечении по ширине колеса. Студенты специальности “Компрессоростроение” замер р₂* снимают минимум в трех точках по ширине канала при данном режиме. Установка прибора по ширине канала выполняется с помощью координатника, в котором прибор установлен.

Обработка опытных данных
Определение производительности компрессора.

В нашем случае производительность компрессора V_K т. е. количество газа, подаваемого компрессором в нагнетательную сеть в единицу времени, определяется с по мощью измеряемого динамического давления Др=р_к* — р_к- По динамическому перепаду А р можно определить скорость в сечении К — К (скорость в с ечении считается равномерной):

в технической системе в системе СИ

Затем находится объемная (V_K) и массовая (О_ю т_к) производительности

где F_K =0,0095 м² —_площадь нагнетательного патрубка; G_K = y * vk кгс/с или т_к = р V^ кг/с.

Аналогично по замерам ро* и p0 может быть определена производительность по всасыванию.

Определение напоров.

Напор, создаваемый колесом, по полным параметрам равен

Где

или в системе СИ

Соответственно напор, создаваемый компрессором (машиной), будет:

Может быть также аналогично определен напор относительна сечения за диффузором в сечении 4—4 (см. рис. 7). Величины давлений в каждом сечении должны быть взяты как средние по сечению.

Вычисление внутренней (подведенной к газу) мощности Ni.

Мощность Ni в данной работе может быть определена двумя способами. 1. Напор, сообщенный одному кг газа, равен:

в технической системе в систем СИ