книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

±30° no ô, применяемый и при измерениях в абсолютном движе­ нии. На рис. 46 показан продольный разрез прибора. Принцип его действия определяется характером обтекания шара вязким потоком. В значительной области тыльной стороны шара обра­ зуется срывная зона, статическое давление во всех точках которой одинаково. Приемное отверстие в тыльной части шара при зна­ чительном изменении угла натекания потока находится в области срыва и воспринимает одинаковое давление. Это давление одно­ значно связано со статическим давлением в потоке.

Рассмотрение конструкции при­ емника давления убеждает в его непригодности для исследований при высоких окружных скоростях. U -образная державка шара не мо­ жет противостоять большим вибра­ ционным и статическим нагрузкам.

выше. Установка шара непосредственно на конусной державке делает конструкцию монолитной и прочной. Однако при таком конструктивном решении на показания прибора влияет форма державки. Как уже указывалось выше, в рабочем колесе угол скоса в меридиональной плоскости обычно не бывает значитель­ ным, поэтому приемник описываемого типа, возможно, найдет применение.

Как известно, определение направления потока в неподвиж­ ных элементах осуществляется флажковыми или аэродинамиче­ скими угломерами. Первые непригодны для замеров на вращаю­ щихся роторах из-за действия на флажок центробежной силы и трудности отсчета. Для исследований в относительном движении может быть рекомендован неориентируемый двухканальный ци­ линдрический угломер [98].

Известно, что в пределах центральных углов ±40ч-45°, отсчи­ танных от направления скорости, распределение давления по сфере или цилиндру практически не зависит от числа Re, т. е. от ско­ рости потока. Поэтому, если угол между приемными отверстиями

сделать 0 = 40-^45°, то коэффициент давления р = / (р) не будет зависеть от скорости вплоть до углов скоса 20—22,5°. Таким обра­ зом, зная перепад давлений между приемными отверстиями, по тарировочному графику можно определить направление потока.

Для соединения прибора на вращающемся рабочем колесе с регистрирующим прибором служат дренажные тракты. Давле­ ние от точки замера по сверлениям в теле колеса или по трубкам выводится на наружную поверхность колеса. На ступице колеса расположены штуцеры, к которым присоединяются передатчик давления или вращающиеся манометры. К этим штуцерам давле­ ние подводится по трубкам, уложенным в пазы на поверхности основного диска р. к. При небольших окружных скоростях ока­ зывается достаточным залить трубки в пазах бакелитовым лаком, для того чтобы предохранить их от отрыва при вращении. Одно­ временно этим обеспечивается гладкая поверхность диска. Для дренажных трактов применяются красномедные или латунные цельнотянутые трубки с наружным диаметром 0,7— 1,7 мм.

При высоких окружных скоростях прочность бакелитового лака может оказаться недостаточной. Поэтому дополнительно применяются планки на винтах, заворачиваемых в тело рабочего диска, которые плотно прижимают трубки к поверхности.

Очевидно, можно будет обеспечить необходимую прочность соединения и без таких планок, если приклеивать трубки к диску эпоксидными смолами. Некоторое неудобство при этом возникает из-за невозможности снять трубку с диска вследствие исключитель­ ной прочности такого соединения.

Очень заманчивой является идея упрощенных дренажных трак­ тов, образованных самими канавками на теле диска. С наружной стороны они заклеиваются по всей длине одним-двумя слоями кальки, промазанной бакелитом. К сожалению, герметичность таких трактов не всегда удовлетворительная, поэтому они не нашли применения. Подбор других материалов, возможно, сде­ лает такие тракты приемлемыми.

2 9 . У с т а н о в к и с в р а щ а ю щ и м и с я м а н о м е т р а м и

Установки с вращающимися манометрами непригодны для исследований в относительном движении при окружных скоростях более 80— 100 м/сек. Проведение исследований с помощью этих приборов сопряжено с определенными неудобствами, однако про­ стота устройства делает возможным их использование для изуче­ ния физической картины течения в колесе и количественных измерений при малых М.

Для исследования обтекания воздушного винта использова­ лась установка с вращающимися манометрами в виде стеклянных запаянных с одной стороны трубок с каплей ртути внутри [121 ], О подводимом к открытому концу трубки давлении можно судить

по положению капли ртути, так как это давление должно уравно­ вешиваться давлением постоянного количества газа, замкнутого в переменном объеме между запаянным концом трубки и каплей. Стеклянные трубки укладывались вдоль образующей вала винта. Отсчет показаний, как и во всех других установках с вращаю­ щимися манометрами, осуществляется путем стробоскопирования.

применялась установка с вращающимися жидкостными маноме­ трами [107]. Манометрические трубки расположены по образую­ щей вертикального вала установки. Допустимое число оборотов — 150 в минуту. При большей скорости вращения мениск жидкости под действием центробежных сил деформируется, не давая воз­ можности произвести отсчет.

Стенд ЭЦК-2 лаборатории компрессоростроения ЛПИ также имеет вращающиеся жидкостные манометры. Его подробное опи­ сание приведено в работе [97]. На рис. 79 показана схема уста­ новки. Вертикальный вал стенда вращается в подшипниках каче­ ния, расположенных в сварной раме. Нижний консольный конец вала соединен муфтой с приводным электродвигателем постоян­ ного тока. На верхнем консольном конце вала устанавливается

рабочее колесо с D 2 = 610 мм. Д ля размещения приборов при за­ мерах в относительном движении за колесом служат участки ра­

За колесом имеется безлопаточный диффузор, в котором поме­ щаются приборы для замеров в абсолютном движении. Режим работы колеса меняется поворотом дроссельных лопаток, распо­ ложенных в кольцевом сечении на выходе из бл. д. Всасывание — осевое, через вертикальную трубу с приборами для замера произ­ водительности. Всасывание и выпуск воздуха производятся в по­ мещении.

Вращающиеся U -образные жидкостные манометры в количестве восьми штук расположены по образующей вала на его участке между подшипниками. Внутренний диаметр стеклянных трубок, из которых они выполнены, составляет 0,3—0,4 мм. Малый вну­ тренний диаметр позволяет использовать силы поверхностного натяжения для стабилизации формы мениска, искажающейся центробежными силами. Принятие ряда допущений позволило получить теоретическую зависимость между размерами вращаю­ щегося манометра, физическими свойствами жидкости и допусти­ мой скоростью вращения, при которой мениск сохраняет свою

На стенде ЭЦК-2 в качестве рабочей жидкости используется спирт. Принятые размеры жидкостных манометров позволяют вести опыты при скорости вращения до 2000 об/мин. Ряд специ­ фических погрешностей, в частности из-за несоосности наруж ­ ного и внутреннего диаметров трубок, меняющейся по высоте манометра, делает необходимой динамическую тарировку при­ бора, которая выполняется с помощью передатчика давления. К недостаткам прибора, помимо этого, следует отнести также ограниченное количество точек замера и необходимость вертикаль­ ного расположения вала, что не дает возможности применить его на обычных стендах.

3 0 . П е р е д а т ч и к и д а в л е н и я и п е р е к л ю ч а ю щ и е у с т р о й с т в а

Для исследования различных типов турбомашин создано боль­ шое количество разнообразных передатчиков давления и пере­ ключающих устройств, различающихся принципом действия и техническими характеристиками.

В работах [34, 78, 86, *104] описаны некоторые из этих при­ боров, а в [60] имеется обзор нескольких конструкций. Боль­ шинство этих устройств излишне сложно, их размеры велики, но главным недостатком является недостаточная допустимая скорость вращения, которая даже у лучших приборов не превос­ ходит 10 000 об!мин. Эти обстоятельства не позволяют использо­ вать их на современных высокооборотных стендах ц. к.

Ниже приводится описание нескольких конструкций передат­ чиков давления и переключающих устройств, разработанных в лаборатории компрессоростроения Ленинградского политехни­ ческого института [11, 12, 15], и прибора, созданного на Невском машиностроительном заводе Б. Л. Гунбиным. Эти конструк­ ции созданы специально для установки на высокооборотные экспериментальные стенды ц. к. и наиболее полно удовлетворяют необходимым требованиям.

Создание надежных малогабаритных и высокооборотных при­ боров потребовало проведения специальных опытных работ. Д ля испытания приборов в ЛПИ применялся стенд, состоящий из приводного устройства, обеспечивающего скорость вращения валов передатчиков до 20 000 об!мин, и ряда вспомогательных устройств (масляной системы, пневматической системы и т. д.). На стенде имелось устройство для проверки герметичности передатчиков, схема которого приведена на рис. 74, б. Замкнутая система соеди­ нена с уплотняемой камерой передатчика. В ней создается избыточ­ ное давление или вакуум, величина которого контролируется манометром. Выравнивание давления с атмосферным свидетель­ ствует о протечках, величина которых оценивается по времени падения давления на определенную величину. Такой стенд нужен не только при создании новых образцов передатчиков, но и при проведении систематических исследований в относительном дви­ жении для контроля исправности передатчиков, переключающих устройств и их наладки.

На рис. 80 показан одноточечный передатчик давления с ман­ жетным уплотнением. Вал передатчика 1 представляет собой иглу медицинского шприца из нержавеющей стали диаметром 1 мм. Вал вращается в двух бронзовых втулках 2, служащих подшипниками. Манжета 3 «катушечного» типа из фторопласта-4 для удобства изготовления и сборки прибора сделана из двух половин. Прижатие манжет к валу осуществляется давлением масла. Чтобы масло не попадало на поверхность контакта и оттуда

в уплотняемую камеру, между манжетами надет отрезок трубки 4 из маслостойкой резины.

Экспериментально установлено, что для достижения хорошей герметичности отношение абсолютного уплотняемого давления к абсолютному давлению масла на манжету должно быть не более 0,85—0,9. После 35 ч работы со скоростью вращения 17— 18 тыс. об/мин протечки воздуха в передатчике при уплотняемом перепаде давления 1 кГ/см2 составляли ничтожную величину порядка 0,25 см3/мин.

Рис. 80. Одноточечный передатчик давления с уплотнениями в виде фторопластовых манжет

Попытки создать макет передатчика на несколько точек с диа­ метром вала 3 и 5 мм с уплотнениями того же типа (но с меньшими осевыми размерами) не увенчалась успехом. Фторопластовые манжеты оказались недостаточно стойкими при повышенной окружной скорости и большом числе оборотов.

На рис. 81 показана схема многоточечного передатчика, гер­ метизация камер которого достигается за счет прецизионной индивидуальной пригонки поверхностей вала 1 и корпуса 2 прибора друг к другу. Материалы, технология изготовления и допуски на размеры сопрягаемых поверхностей у этого прибора те же, что и у плунжерных пар топливных насосов дизелей: материал вала и корпуса — сталь ХВГ, закаленная до HRC 60—62; чистота поверхности V 14, зазор между валом и корпусом 2—5 ц. Между уплотняемыми камерами 3 прибора на валу имеются кольцевые канавки 4, по которым подается турбинное масло для охлаждения и смазки поверхностей.

После более 50 ч работы со скоростью вращения 18 000 об!мин следов износа деталей прибора замечено не было. Передатчик обеспечивал абсолютную герметичность при давлениях в диа­ пазоне — 0,8-f- + 2 ,5 ати .

Вал испытанного прибора имел диаметр 8 мм. При отсутствии специальной системы охлаждения помимо подачи масла скорость вращения 18 000 об!мин, очевидно, была для него близка к макси­ мальной, так как при скорости вращения более 17 000 об/мин температура деталей прибора начинала резко возрастать.

Рис. 81. Схема многоточечного передатчика давления «прецизионного» типа

Несмотря на хорошие результаты испытания описанного прибора, анализ этой и других конструкций показывает, что

чески невозможно. Передатчики с числом точек порядка десяти не дают экономии времени при испытаниях по сравнению с одно­ точечным передатчиком, имеющим переключающее устройство.

Ниже описываются приборы, сочетающие одноточечный пере­ датчик давления с переключающим устройством.

На рис. 82 показан продольный разрез одного из приборов, разработанных в лаборатории компрессоростроения ЛПИ. Пере­ датчик имеет габариты 0 70 X 240 и позволяет произвести измерения без остановки машины в 33 рабочих точках.

Собственно передатчик состоит из графитовой втулки 4 и шарика 5 диаметром б м с отверстием в центре, запрессованного во втулку 6. Материал уплотняющей графитовой втулки — графит 10Д ВТУ 634/56, обладающий большой износоустойчивостью.

Для обеспечения правильности формы, хорошего качества поверхности и высокой твердости деталь 5 изготовлена из тела качения шарикоподшипника электроискровой обработкой. Уплот­ няющая поверхность имеет расточку под углом 120°. В процессе приработки на месте контакта образуется поясок шаровой поверх­ ности шириной около 1 мм. По штуцеру 1 давление передается на манометр.

Этот передатчик проще и совершеннее изображенного на рис.80. Он испытывался в течение нескольких десятков часов при ско­ рости вращения 18 000 об/мин, обеспечивая практически полную герметичность. Испытания макетов такого уплотнения с большими размерами дают основания полагать, что максимально допусти­ мая скорость вращения передатчика на рис. 82 равна 30— 40 тыс. об/мин.

Переключающее устройство, позволяющее поочередно под­ ключать без остановки машины к неподвижному манометру различные приемники давления, установленные на исследуемом роторе, собрано в корпусе 9.

На переднем конце вала 8, вращающегося вместе с ротором исследуемой модели в прецизионных подшипниках 7, смонтирован переключающий механизм. Распределительный диск 19 жестко закреплен на валу; на его торцевой поверхности, обращенной к избирательному диску 16, свободно сидящему на валу, имеются 33 отверстия со штуцерами 20. К этим штуцерам при испытаниях подсоединяются дренажные тракты модели. Приводной носок 17 служит для соединения вала прибора с исследуемым ротором. Избирательный диск с помощью системы сверлений соединяет одно из отверстий в распределительном диске с кольцевой ка­ навкой.

Таким образом, один из дренажных трактов в исследуемом роторе оказывается соединенным через передатчик давления с неподвижным манометром. Остальные отверстия в распредели­ тельном диске в это время герметизированы притертой поверх­ ностью избирательного диска.

Подключение следующей рабочей точки осуществляется сме­ щением по окружности избирательного диска относительно рас­ пределительного. Для объяснения принципа действия переклю­ чающего механизма рассмотрим схему на рис. 83. (Рис. 82 и 83 имеют общую нумерацию позиций.) Плоские пружины 18 образуют систему защелок на цилиндрической поверхности, в которую заводится штифт 15; последний через втулку 13 жестко связан с вращающимся поршнем 12. При перемещении поршня под действием давления воздуха, подаваемого поочередно по обе его стороны, штифт также будет совершать возвратно-поступательное движение вдоль оси вала.

При перемещений штифта 15 справа налево он отожмет пру­ жину, расположенную сверху от него. При обратном ходе поршня штифт, перемещаясь слева направо, снова отожмет пружину, расположенную сверху от него, и, таким образом, за двойной ход поршня сместится из положения А в положение Б относи­ тельно пружин. Поскольку штифт 15 совершает относительно вала только возвратно-поступательное движение, перемещение его из положения А в положение Б будет соответствовать повороту избирательного диска относительно распределительного на угол

центробежные силы не оказывают никакого влияния на взаимо­ действие его деталей. Это же делает его надежным и долговеч­ ным, так как практически изнашивающимися деталями являются только опорные подшипники и пара трения в передатчике.

Уплотнения передатчика и переключающего устройства обеспе­ чивали практически полную герметичность прибора при измене­

крыты, воздух в полости по обе стороны поршня переключающего механизма не подается. Кран 6 установлен в положение «работа», он соединяет передатчик давления с регистрирующим прибором. Положение кранов 7, 8 безразлично. Д ля замера в следующей рабочей точке необходимо поочередно открыть и закрыть краны 4