книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

Величина мощности, поглощаемой гидротормозом при полном погружении диска, может быть определена по эмпирической за­ висимости [35]

К— эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции гидротормоза.

соответствует тормозам с гладкими дисками и составляет 60 000 об!мин при мощности до 10 000 к е т .

Если бы потери в ходовой части не изменялись от режима работы, то при тарировании не требовалось бы использовать

гидротормоз или другое нагрузочное устройство. В этом случае было бы достаточно любым из описанных методов определить момент на холостом ходу со снятыми рабочими колесами и в даль­ нейшем при эксперименте учитывать его как поправку при определе­ нии внутренней мощности. Тогда при измерении внутренней мощ­ ности с помощью балансирного двигателя величина Nt опреде­ лится из выражения

данном режиме и на холостом ходу.

В действительности вычисление мощности по формуле (179) привело бы к большим погрешностям, так как величина Р 0 опре­ деляется многими факторами, в свою очередь зависящими от ре­ жима работы установки.

Как указывалось выше, при определении мощности балансир­ ным электродвигателем измеряемый момент включает в себя момент от потерь в подшипниках модели и мультипликаторе, зацеплении шестерни, а также момент потерь на вентиляцию электродвигателя.

Потери в опорных подшипниках зависят от коэффициента

Коэффициент трения f зависит не только от конструкции под­ шипника, но и в значительной степени от вязкости масла, в свою очередь зависящей от сорта масла и его температуры. Таким образом, потери в подшипниках для конкретной установки явля­ ются функцией, по крайней мере, двух величин: Nn = / (tM, п). Потери в мультипликаторе также непостоянны. Потери на венти­ ляцию электродвигателя зависят от температуры и плотности окру­ жающего воздуха.

Из изложенного очевидна необходимость получения тарировочных характеристик в виде зависимости мощности нагрузоч­ ного устройства, эквивалентной внутренней мощности, от мощ­ ности, определяемой с помощью торсиометра, балансирного двигателя или мультипликатора, или от электрической мощности двигателя. Эти характеристики должны быть получены в виде семейства кривых со скоростью вращения и температурой смазоч­ ного масла в качестве параметров при постоянном давлении в мас­

При определении крутящего момента с помощью торсионного динамометра, установленного между мультипликатором и моделью, тарирование производится по аналогичной схеме.

Метод определения мощности с учетом потерь в ходовой части путем тарирования является достаточно совершенным. Недостат­ ком его является трудоемкость тарирования, которое нужно периодически повторять, так как потери зависят, помимо прочего, от состояния стенда (зазоры в подшипниках, качество центровок). Кроме того, поскольку к тарированию, равно как и к экспери­ ментам на моделях, можно приступать лишь после того, как уста­ новится температура масла, охлаждающего подшипники ступени, и температура всех частей установки достигнет значений, соот­ ветствующих нормальному режиму их работы, имеют место потери времени и энергии, которые особенно значительны при работе установок большой мощности.

Потери мощности в упорных подшипниках из-за невозможно­ сти имитации осевых усилий, в действительности возникающих при работе компрессора, при тарировании не могут быть опреде­ лены. С какой-то степенью точности они могут быть оценены, например, по формулам, приведенным в [74] и в работах по рас­ чету подшипников.

Оценим погрешность определения внутренней мощности при использовании гидротормоза и балансирного электродвигателя. Абсолютную предельную погрешность величины А будем обозна­ чать через ÔA, относительную — через ДА. Момент потерь при

Так как Мб, у и Мг т величины одного порядка, а точность балансирных устройств гидротормоза и электродвигателя при­ мерно одинакова, примем

Погрешность определения угловой скорости вращения при использовании электронных приборов невелика по сравнению с погрешностью определения момента и составляет 0,001—0,01%.

Таким образом, погрешность определения внутренней мощно­ сти будет в основном зависеть от погрешности определения мо­ мента:

Считая, что погрешность определения момента с помощью ба­ лансирных устройств составляет 0,1—0,2%, получим, что погреш­ ность определения внутренней мощности Nt равна 0,3—0,6%. Эта величина не включает в себя погрешность от возможного не­ соответствия условий работы стенда при тарировании условиям при реальных испытаниях. Погрешность определения Nt при использовании торсионных динамометров и при электроизмере­ ниях составит большую величину — порядка 1,0—3,0%.

3 9 . О п р е д е л е н и е с к о р о с т и в р а щ е н и я

Измерение скорости вращения ротора компрессорной машины или ее модели необходимо не только для вычисления потребляе­ мой мощности, но и для определения окружной скорости, а сле­ довательно, для построения треугольников скоростей и безраз­ мерных характеристик.

Измерение числа оборотов производится специальными при­ борами, называемыми тахометрами. По принципу действия тахо­ метры можно разделить на механические и электрические.

К механическим тахометрам относятся центробежные, часо­ вые, суммирующие, фрикционные, пневматические, гидравличе­ ские и др. К электрическим тахометрам принадлежат тахометры, измеряющие напряжение переменного и постоянного тока, магни­ тоиндукционные, импульсные, ферродинамические тахометры, электронные тахометры на низкочастотных кварцах и быстродей­ ствующие электронные счетные тахометры. Стробоскопические тахометры могут быть как механическими, так и электрическими.

Рассмотрим некоторые из тахометров, применяющихся при экспериментальных исследованиях ц. к. Из механических тахо­ метров распространение нашли в основном лишь центробежные, часовые тахометры и счетчики оборотов. Работа центробежного тахометра основана на принципе измерения центробежных сил инерции, возникающих при вращении массы т . Принципиальная схема тахометра показана на рис. 112.

где г — радиус центра тяжести вращающейся массы т в м;

Из выражения (186) следует, что центробежная сила пропор­ циональна квадрату числа оборотов. Для уравновешивания цен­ тробежной силы обычно применяются плоские, спиральные или цилиндрические пружины.

Рис. 112. Принципиальная схема конического центробеж­ ного тахометра

В отличие от конического, в кольцевом тахометре (рис. 113) основным элементом является кольцо, ось вращения которого не совпадает с осью симметрии. Для уравновешивания момента МКУ стремящегося развернуть кольцо в положение, при котором ось вращения совпадает с осью симметрии, служит спиральная пру­ жина, создающая момент Мп.

Промышленность выпускает два типа центробежных тахоме­ тров: ручные и стационарные. Ручные тахометры имеют, как пра­ вило, шкалу с несколькими пределами, поэтому в их конструкции предусматривается многоступенчатая коробка скоростей.

Соединение с валом, скорость которого должна быть измерена, осуществляется у ручных тахометров специальными валиками с мягкими наконечниками, которые на время измерения прижи­ маются к расточке в торце вращающегося вала.

Приводом стационарных центробежных тахометров служит гибкий вал, что позволяет осуществлять дистанционное измерение, но одновременно приводит к эксплуатационным неудобствам, поскольку гибкие валы часто выходят из строя. Погрешность

измерения скорости вращения при использовании ручных тахо. метров (например, ИО-Ю, ИО-11) составляет ± 2 % , измеряемые скорости вращения составляют 25—30 000 об/мин.

Погрешность измерения скорости вращения центробежными стационарными тахометрами (типа ТС-100, ТС-200 и др.) состав­ ляет ± 1 % , измеряемые скорости вращения — 50— 10 000 об/мин.

Часовые тахометры имеют часовой механизм, который вклю­ чает счетчик на определенный период времени. В отличие от центробежных тахометров, измеряющих скорость вращения в дан­

ный момент времени, часовые тахометры определяют среднюю скорость вращения за некоторый промежуток времени:

где Yjn — число оборотов вала за промежуток времени т. Действие прибора основано на том, что через зубчатую пере­

дачу вращение ведущего вала, скорость вращения которого изме­ ряется, передается на плоскую зубчатую рейку, соединенную со стрелкой циферблата. Время зацепления плоской рейки строго определено, в результате чего длина ее перемещения пропорцио­ нальна скорости вращения. Интервал, в течение которого изме­ ряется число оборотов, составляет 30—60 сек. Такими приборами обеспечивается точность измерения ±0,1-ь-0,5% [89]. Суммарные счетчики оборотов действуют по такому же принципу с той

разницей, что время включения счетного механизма контроли­ руется оператором и измеряется отдельным часовым механизмом. Счетчик вводится в действие одновременно с секундомером, и искомое среднее число оборотов получается как частное от деле­ ния показаний на промежуток времени, в течение которого про­ изводится измерение.

Механизмы счетчиков, как правило, рассчитаны на скорость вращения до 1000— 1200 об/мин, поэтому соединение их с быстро­ ходными роторами осуществляется через понижающую передачу.

Время измерения обычно принимают около 30 сек. Погрешность измерения составляет ± 1 оборот плюс погрешность, вызванная неточностью измерения времени t . Основной недостаток этих приборов, так же как и часовых тахометров, — невозможность непрерывного контроля скорости вращения.

Из электрических тахометров общего назначения наибольшее распространение получили ферродинамические и магнитоиндук­ ционные. Серийные ферродинамические приборы, обеспечивающие точность измерения скорости вращения от 0,5 до 1 %, выпускаются промышленностью на практически любые числа оборотов. Магнито­ индукционные приборы позволяют измерять скорость вращения в диапазоне от 200 до 20 000 об/мин. Погрешность их не превы­

Рассмотрим подробнее схему тахометра ТСФУ (тахометр стен­ довый ферродинамический универсальный), поскольку в его комплект входят как магнитоиндукционный, так и ферродинами­ ческий тахометры.

Приборы типа ТСФУ обеспечивают измерение числа оборотов с погрешностью не более ±0,2% и применяются во многих органи­ зациях, занимающихся исследованием центробежных компрес­ соров. В комплект тахометра ТСФУ-1 входят: 1) измеритель тахо­ метра стендовый ТСФУ-1; 2) измеритель тахометра магнитоиндук­ ционный ИТЭ-1 или ИТЭ-2; 3) датчик ДТЭ-2. У модификации тахометра ТСФУ-1-1 циферблат отградуирован в процентах от номинального числа оборотов, а у ТСФУ-1-2 — в оборотах в ми­ нуту. Измерение угловой скорости вала тахометром ТСФУ-1

что датчик, являющийся синхронным генератором переменного тока, при вращении вала двигателя вырабатывает переменный электрический ток, частота которого измеряется ферродинамическим частотомером-измерителем ТСФУ-1.

Так как напряжение и частота переменного тока являются прямой функцией угловой скорости ротора генератора, а следо­ вательно, и вала, с которым соединен ротор генератора, то шкала

измерителя ТСФУ-1 градуируется в оборотах в минуту или

впроцентах от номинального значения угловой скорости вала. Для достижения требуемой точности измерения ±0,2% весь

диапазон тахометра разбит на шесть равных поддиапазонов (пре­ делов измерения), следующих друг за другом. Переключение пределов измерения может производиться как ручным, так и авто­ матическим переключателем.

Одинарный и сдвоенный дистанционные магнитоиндукционные тахометры ИТЭ-1 и ИТЭ-2, входящие в комплект ТСФУ-1, пред­ назначены для непрерывного измерения числа оборотов в минуту вала, выраженного в процентах от его максимальных оборотов.

Рис. 114. Принципиальная схема магнитоиндукционного одинарного тахо­ метра ИТЭ-1:

1 —обмотки статора датчика; 2 —ротор датчика; 3 —гистерезисные диски; 4 — постоянные магниты ротора двигателя измерителя; 5 —постоянные магниты; 6 —по­ стоянные магниты демпфера; 7 —стрелка указателя; 8 —равномерная шкала; 9 —алю­ миниевый диск демпфера; 10 —спиральная пружина; 11 —металлический диск; 12 —

обмотка статора синхронного двигателя измерителя

Принципиальная схема тахометра с одинарным измерителем приведена на рис. 114. Преобразование оборотов вала в угловое перемещение стрелки магнитоиндукционным тахометром основано на взаимодействии магнитных полей вращающихся магнитов

сполем индукционного тока, наведенного в металлическом диске 11.

Врезультате взаимодействия на оси диска 11, связанного со стрел­ кой 7, возникает вращающий момент, пропорциональный числу оборотов, который уравновешивается противодействующей пру­ жиной 10. Момент пружины пропорционален углу ее закручи­ вания, а угол поворота диска 11 пропорционален скорости враще­ ния вала. Принципиальная схема сдвоенного измерителя анало­ гична описанной. Отличие состоит в отсутствии демпфера, роль которого играют зубчатые передачи между двумя параллельными валами с дисками. При тщательной регулировке магнитной си­ стемы и достаточно большой шкале погрешность тахометров магнитоиндукционной системы составляет 0,15—0,2% измеряемой величины [89].

Прежде чем перейти к приборам, обеспечивающим наиболь­ шую точность измерения скорости вращения — электронным тахометрам, остановимся на стробоскопических приборах — строботахометрах или стробоскопах. Как и центробежные тахометры, строботахометры применяются лишь при грубой оценке числа оборотов ротора испытываемой машины, поскольку погрешность измерения для большинства из них, выпускаемых серийно, состав­ ляет ± 1% . Диапазон измеряемых чисел оборотов для различных типов строботахометров составляет 300—30 000 об!мин. Некото­ рые строботахометры обеспечивают большую точность измерения, например прибор СТ-5, имеющий погрешность ±0,5% .

Принцип действия строботахометра основан на инерционности зрительного восприятия образа, наблюдаемого в течение корот­ кого промежутка времени. Поэтому, если наблюдаемый объект освещать импульсами с частотой, равной или кратной частоте вращения, человеческий глаз будет воспринимать изображение предмета как неподвижное. Уравнение связи между частотой следования импульсов и частотой вращения выражается как

К — коэффициент кратности.

При использовании строботахометров следует помнить о воз­ можной ошибке вследствие наблюдения стробоскопического эф­ фекта при кратности К не равной 1. Поэтому добиваться «оста­ новки» изображения следует регулировкой частоты от верхнего предела. К недостаткам строботахометров кроме значительной по­ грешности следует отнести невозможность дистанционного отсчета.

Как указывалось выше, наиболее перспективными при точных измерениях являются приборы, использующие электронные схемы, в том числе и электронные строботахометры. Не останавливаясь подробно на схемах и описании этих приборов, имеющихся в спе­ циальной литературе [89], укажем только принцип их действия и некоторые технические характеристики.

Электронные тахометры с использованием низкочастотных опорных кварцев основаны на сравнении частоты напряжения датчика с известной частотой кварцевого генератора и измерении

с регистрацией пропорционального ей напряжения, осциллографы, конденсаторные частотомеры и т. д. Погрешность таких приборов определяется погрешностью кварцевого генератора и измерителя разности частот.