книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

Методы исследования центробежных компрессорных машин. Галеркин Ю Б , Рекстин Ф С , изд-во «Машиностроение», 1969, 304 стр Табл 5 Илл 133 Библ 132назв.

Книга посвящена методам экспериментального исследования проточной части центробежных компрессоров (ц. к.) и основана на отечественном и зарубеж­ ном опыте в этой области.

Рассматриваются некоторые аспекты теории подобия применительно к экс­ периментальному исследованию ц. к. Рекомендуются критерии для оценки эффективности секций и ступеней ц. к. и их элементов* рабочего колеса, лопа­ точного и безлопаточного диффузоров, обратного направляющего аппарата и др. Устанавливаются контрольные сечения для размещения измерительных приборов. Приводятся способы обработки опытных данных с помощью ЭВМ и газодинами­ ческих функций. Освещаются вопросы осреднения измеряемых параметров по­ тока, а также погрешность эксперимента.

Описываются методы и рекомендуются измерительные и регистрирующие приборы для определения параметров потока в абсолютном и относительном дви­ жении, а также для измерения нестационарных процессов. Приводятся методы тарирования. Анализируются различные способы измерения мощности, крутя­ щего момента, скорости вращения ротора и производительности компрессора.

Приводятся схемы и принципиальные конструктивные решения экспери­ ментальных стендов с замкнутым и открытым контурами, установок ЭГДА, стендов статических продувок и установок для визуализации потока.

Книга предназначена для инженерно-технических работников заводов, НИИ и вузов, занимающихся исследованием ц. к. и других типов т^рбомашин, а также может быть использована студентами соответствующих специальностей.

Рецензент канд. техн. наук В. Б. Шнепп Редактор д-р техн. наук К. П. Селезнев

3-3—7 352—68

П р е д и с л о в и е

Грандиозная программа коммунистического строительства, при­ нятая на X X III съезде КПСС, ставит перед машиностроителями серьезные задачи по созданию различных высокоэффективных машин и механизмов, отвечающих современному уровню разви­ тия техники.

Ни одна отрасль народного хозяйства не может обойтись без использования компрессорных машин. Бурное развитие метал­ лургической, химической, нефтегазовой и других отраслей про­ мышленности привело к значительному количественному и ка­ чественному росту отечественного компрессоростроения.

Среди других типов компрессоров центробежные компрессоры (ц. к.) в силу ряда преимуществ занимают одно из ведущих мест. Области применения ц. к. неуклонно расширяются. Объемные производительности современных ц. к. лежат в области от деся­ тых долей до нескольких тысяч кубических метров в минуту. Созданы ц. к. для отношения давлений до 50—60. Работают цир­ куляционные компрессоры с конечным давлением около 300 кГ1см2. Однако современный уровень знаний о процессах в проточной части центробежных компрессорных машин все еще не позволяет получить строгие теоретические зависимости, оценивающие эф­ фективность отдельных элементов проточной части и их влияние друг на друга. Расчет и проектирование центробежных компрес­ соров, а также их дальнейшее совершенствование по-прежнему базируются на экспериментальных исследованиях ступеней и секций ц. к. и их элементов.

Для получения объективных данных о процессах в проточной части ц. к. необходим правильный выбор методов и аппаратуры экспериментального исследования. Круг организаций, занимаю­ щихся исследованием ц. к., неуклонно расширяется. Создается заново и усиливается экспериментальная база компрессорных заводов; организуются новые и расширяются старые проектно­ конструкторские бюро и научно-исследовательские институты. Задача обобщения отечественных и зарубежных методов иссле­ дования ц. к. в связи с этим становится актуальной.

Отсутствие единой точки зрения по ряду методических вопро­ сов затрудняет сравнение и анализ публикуемых материалов. Применение в некоторых случаях недостаточно продуманных методов исследования ставит под сомнение правильность получен­ ных результатов. В изданных за последние годы монографиях

методы экспериментального исследования ц. к. и применяемая аппаратура отражены недостаточно полно или обойдены молча­ нием.

Содержание книги основано на отечественном и зарубежном опыте исследования стационарных ц. к. Объем книги не позволил осветить все методические вопросы экспериментальной работы. По этой причине, в частности, не затронуты вопросы исследования течения в пограничном слое и методы исследования напряжен­ ного состояния подвижных и неподвижных элементов ц. к. Од­ нако некоторые разделы гл. VI могут быть полезны при создании аппаратуры для изучения динамической прочности.

Отдельные разделы книги авторами написаны совместно со

У с л о в н ы е о б о з н а ч е н и я

А — — тепловой эквивалент механической работы в ккал/кГ-м;

а— ширина канала в радиальной плоскости в м; скорость распространения звука в м/сек;

G_— вес газа в кг;

G — весовая производительность в кг/сек; g — ускорение силы тяжести в м/сек2;

H, h — напор соответственно для группы ступеней и ступени

в кГ-м/кг;

i— угол атаки i — $л — Р в град; энтальпия в ккал/кг; масштабный множитель;

if ^ — газодинамическая функция;

К— аэродинамические коэффициенты пневмометрических приборов;

k — показатель адиабаты; абсолютная шероховатость;

h — k

~~ ~~j—— относительная шероховатость;

i — внутренний; местный;

/— номер точки измерения в контрольном сечении в направлении оси г или z;

т— проекции вектора на меридиональную плоскость; параметры смеси газов;

г— внутренние потери энергии в элементах ступени и компрессора;

s — номер точки замера в контрольном сечении по окружности; а — атмосферный;

ад — адиабатный; вх — входное сечение рассматриваемого элемента;

вых — выходное сечение рассматриваемого элемента;

Г— гидравлический;

д— динамический; диффузор;

е— эффективный;

ид — идеальный; из — изотермный; изм — измеренный;

к — конечное (выходное) сечение секции и компрессора; колесо; конфузор;

кр — критическое значение параметра;

м— модель;

н— начальное (входное) сечение секции и компрессора; опт — соответствующий режиму т)тах;

п— политропный;

пом — помпажный; пр — приведенные параметры газа;

пред — предельные значения параметра; р — расчетный; Т — теоретический; ут — утечки;

э — эталонный; 0 — вход в рабочее колесо;

1 — вход в решетку колеса; 2 — выход из рабочего колеса; вход в бл. д;

3 — выход из бл. д; вход в л. д.; 4 — выход из л. д.;

О' — выходное сечение промежуточной ступени; оо — параметры на бесконечности до и после исследуемого объекта;

* — параметры газа в адиабатно-заторможенном потоке.

Со к р а щ е н и я

а.у. — аэродинамический угломер;

ф. у. — флажковый угломер; бл. д. — безлопаточный диффузор;

л. д. — лопаточный диффузор;

о.н. а. — обратный направляющий аппарат;

р.к. — рабочее колесо;

т.п. д. — трубка полного давления;

т.с. д. — трубка статического давления;

ц. к. — центробежный компрессор.

Остальные условные обозначения поясняются в тексте.

П р и л о ж е н и е т е о р и и п о д о б и я к э к с п е р и м е н т а л ь н о м у и с с л е д о в а н и ю

ц е н т р о б е ж н ы х к о м п р е с с о р о в

1. У с л о в и я п о д о б и я

Несмотря на значительные успехи теории турбомашин, ме­ тоды их расчета и проектирования, равно как и дальнейший про­ гресс теории, базируются на результатах экспериментального исследования.

Достоверные характеристики центробежного компрессора, т. е. зависимости к. п. д. и напора от производительности, могут быть получены только экспериментальным путем. Исследованию должен быть подвергнут либо сам компрессор, либо его модель, выполненная в некотором масштабе I J l ^ 1. При определенных условиях, когда течения в натурном и модельном компрессоре являются подобными, их безразмерные характеристики полностью совпадают.

Общая теория подобия определяет условия, при которых один объект может быть заменен другим, с тем чтобы все проис­ ходящие в них явления были качественно одинаковы, а количе­ ственные параметры были связаны известными соотношениями.

точной части центробежных компрессоров, т. е. совпадение без­ размерных характеристик, имеет место при кинематическом и динамическом подобии потоков.

При кинематическом подобии потоков в сходственных точках модели и натуры скорости имеют одно и то же направление, а отношение их величин одинаково, т. е. имеет место подобие треугольников скоростей.

При динамическом подобии потоков отношение сил, действую­ щих на сходственные элементы модели и натуры, есть величина постоянная.

В свою очередь, условия кинематического и динамического подобия в проточной части ц. к. соблюдаются, если имеют место следующие условия:

1. Геометрическое подобие модели и натуры. При этом отно­ шение всех сходственных линейных размеров проточных частей, включая размеры, характеризующие шероховатость стенок, должно быть постоянно:

2. Подобие треугольников скоростей. У геометрически подоб­ ных ц. к. это условие соблюдается при равенстве коэффициентов расхода, т. е. отношения характерной скорости газового потока к характерной скорости вращающегося ротора:

За характерную скорость ротора, как правило, принимают окружную скорость на периферии рабочего колеса. В зависимости от принятой характерной скорости ст1 различают виды коэффи­ циентов расхода <pt-.

При испытаниях на стендах статических продувок неподвиж­ ных решеток подобие треугольников скоростей достигается при

что для газов, подчиняющихся уравнению Клапейрона, обеспе­ чивается при выполнении условий

При соблюдении остальных условий подобия справедливость выражений (5) и (5а) имеет место при равенстве условных чисел М:

4. Равенство отношений сил инерции к силам трения, харак­ теризуемое числом Рейнольдса

При соблюдении всех остальных условий подобия выражение

(6) справедливо при равенстве условных чисел Рейнольдса

5.Равенство степени турбулентности потока на входе у натуры

имодели. Это условие особенно важно соблюдать при испытании отдельных каналов и решеток на стендах статических продувок. При испытаниях центробежного компрессора в целом, а также его секции или ступени считается, что несоблюдение этого усло­ вия не оказывает заметного влияния на характеристики.

Всовременных компрессорах, исключая компрессоры с внут­ ренним охлаждением и некоторые специальные случаи (например, машины для глубокого вакуума), процессы теплообмена пре­ небрежимо мало влияют на рабочий процесс; поэтому равенство критериев теплового подобия не считается необходимым усло­ вием при моделировании ц. к.

Соблюдение приведенных выше условий обеспечивает прибли­ женное подобие течения в модели и натурной машине и практи­

риментального исследования может стать сам натурный компрес­ сор, работающий на заданной рабочей среде при заданном давле­ нии и температуре. Чаще для сокращения сроков изготовления и уменьшения стоимости экспериментальной установки, а также снижения потребляемой мощности модельные компрессоры вы­ полняются в уменьшенном масштабе. Наоборот, если речь идет о создании получающих все большее распространение так назы­ ваемых микрокомпрессоров, модель может быть выполнена в большем масштабе, что облегчает проведение детальных экс­ периментальных исследований и делает ненужными высокообо­ ротные приводы.

Заводы и исследовательские организации в настоящее время часто не имеют стендов с замкнутым контуром или возможности этих стендов ограничены. Поэтому обычно, если компрессор предназначен для работы не на воздухе, а на газе с другими фи­ зическими свойствами или при входных условиях, не соответ­ ствующих атмосферным, его модель не сможет быть испытана с соблюдением всех условий подобия. Даже в тех редких случаях, когда имеется стенд с замкнутым контуром, при создании ком­ прессоров для агрессивных, высокотоксичных или взрывоопасных