книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

кретной задачи исследования. Однако, если конкретная исследо­ вательская задача должна быть решена в сжатые сроки, не сле­ дует при создании стенда идти на непроверенные инженерные решения. Опыт показывает, что зачастую при нарушении этога правила время, необходимое для исследования, тратится на до­ водку установки.

Во избежание попадания в проточную часть загрязненноговоздуха и посторонних предметов стенд должен быть оборудован фильтровальным устройством на входе. В электрической и мас­ ляной системах стенда должны быть предусмотрены автоматичес­ кие блокировки аварийных режимов работы установки.

В масляной системе стенда в целях сокращения времени вывода ходовой части установки на установившийся режим целесообразна предусмотреть систему предварительного подогрева масла.

До начала проектирования стенда необходимо ясно представ­ лять конкретную задачу эксперимента и сформулировать про­ грамму и метод проведения исследования.

4 2 . С т е н д ы с о т к р ы т ы м к о н т у р о м

Широкое распространение для проведения испытаний на воз­ духе получили благодаря своей простоте и относительной деше­ визне стенды с открытым контуром. Накоплен большой опыт па созданию и эксплуатации этих стендов. Рассмотрим устройство некоторых из них.

Стенд ЭЦК-3 лаборатории компрессоростроения ЛПИ им. Ка­ линина [14] предназначен для исследования крупномасштаб­ ных моделей ступеней и секций ц. к. в широком диапазоне изме­ нения числа оборотов по измерениям в абсолютном и относительном движении при окружных скоростях до 400 м/сек. По своей мощно­ сти (порядка 600 кет) и оснащенности измерительной и реги­ стрирующей аппаратурой стенд представляет собой уникальную* установку.

Стенд ЭЦК-3 (рис. 117) состоит из ходовой части, включающей подшипники экспериментальной модели и мультипликатор с пере­ даточным отношением i = 5,8, электропривода, масляной системы, воздухопроводов и нескольких вариантов сменных проточных частей ц. к.

Оборудование стенда смонтировано в специальном помещении площадью 72 ж2, разделенном звукоизолирующей капитальной стеной на машинный зал и камеру наблюдателей. В стене имеются герметическая звуконепроницаемая дверь и два окна для наблю­ дения за работой стенда. В машинном зале установлены ходовая часть стенда с экспериментальной моделью, приводной электро­ двигатель, мотор-генератор и большая часть вспомогательного оборудования системы электропривода, часть системы воздуха-

проводов, масляная система. В камере наблюдателей расположены пульт управления электроприводом и другое оборудование элек­ тросистемы, а также регистрирующие приборы измерительных -систем и приборы управления. Камера воздухофильтра и шумо­ глушитель находятся вне помещения.

Рис. 117. Схема экспериментального стенда ЭЦК-3 ЛПИ им. М. И. Калинина для исследования крупномасштабных ступеней и секций ц. к.:

/ —экспериментальная модель; 2, 3 —соответственно всасывающий и нагнетатель­ ный трубопроводы; 4 —заслонка; 5 —подшипники модели; 6 —мультипликатор; 7 — приводной двигатель постоянного тока; 8 —камера наблюдателей; 9 —пьезометриче­ ский щит; 10 —мотор-генераторная установка; 11 —пульт управления; 12 —глуши­ тель; 13 —камера фильтров

Масляная система стенда (рис. 118) состоит из главного и пу­ скового маслонасосов, маслобака со встроенным сетчатым филь­ тром, двух трубчатых маслоохладителей и маслопроводов с пре­ дохранительным и обратным клапанами. Контроль за темпера­ турой и давлением масла производится с помощью термопар и манометров.

Система воздухопроводов обеспечивает всасывание и выхлоп вне помещения стенда. Воздух из камеры фильтров, расположен­

ной в специальной пристройке, проходит через сетчатый фильтр и поступает во всасывающую трубу модели. Фильтр образован двумя наклонно установленными рамами 2220x 1045 мм, в каж-

Рис. 118. Масляная система стенда ЭЦК-3:

1 —масляный бак; 2 —пусковой маслонасос; 3 —перепускной вентиль; 4 —масло­ охладители; 5 —обратный клапан; 6—реле пуска; 7 —передатчик давления; 8—под­ шипники модели; 9, 12 —зубчатые муфты; 10 —главный маслонасос; 11 —редуктор

дой из которых установлено восемь легко вынимающихся сетча­ тых элементов. Элемент представляет собой прямоугольную метал­ лическую рамку, закрытую набором из двенадцати гофрированных сеток с размером ячеек от 1,5 до 0,3 мм. Фильтр смазывается висциновым маслом.

Из нагнетательного трубопровода воздух через дроссельную заслонку поступает в глушитель, представляющий собой распо­ ложенный вне помещения стальной трубопровод квадратного се­ чения 800x800x1000 мм. Между сплошной наружной и сетча­ той внутренней стенками глушителя набита капроновая пряжа. Толщина звукоизоляции около 50 мм. Всасывающий и нагнета­ тельный трубопроводы покрыты слоем теплоизоляции.

Система электропривода стенда работает по схеме генератор— двигатель. В качестве приводного двигателя используется балан­

Мотор-генератор расположен в одном зале с эксперименталь­ ной моделью, что повышает уровень шума в машинном зале и за­ трудняет работу обслуживающего персонала.

Ходовая часть собственно экспериментальной модели пред­ ставляет собой корпус опорного и опорно-упорного подшипников, в которых вращается вал. На конце вала консольно устанавли­ ваются одно или два модельных колеса. Корпус модели крепится на корпус подшипников с помощью фланца. При такой системе на стенд могут быть легко установлены экспериментальные про­ точные части самой разнообразной формы.

При исследовании потока в лопаточных диффузорах часто тре­ буется измерение различных параметров потока в нескольких точках по окружности в пределах одного канала. Обычно разме­ щение нескольких приборов в этом случае затруднено, поэтому желательно в конструкции стенда предусмотреть устройство для поворота передней или задней стенок диффузора. На передней стенке обычно располагаются измерительные приборы, на задней — закреплены лопатки. Конструкция устройства для поворота задней стенки л. д., применяемая на стенде ЭЦК-3, изображена на рис. 119. Недостаток такой конструкции — трудность фиксации задней стенки.

Консольный ротор характерен для большинства эксперимен­ тальных моделей. Это упрощает их конструкцию, так как осевая

сборка делаег ненужным горизонтальный разъем. Кроме того, в большинстве случаев необходимо осуществить осесимметричный подвод воздуха к колесу модели, что затруднительно сделать при расположении ротора между опорами.

На рис. 120 приведена схема проточной части стенда ЭЦК-1 лаборатории компрессоростроения ЛПИ. Стенд небольшой мощ­ ности имеет осевое всасывание из помещения и выхлоп обратно через осесимметричный диффузор, установленный за о. н. а. При модернизации стенда за этим диффузором были установлены сбор­

терная для некоторых установок НЗЛ, ЦКТИ и других органи­ заций.

Здесь колесо обращено в сторону корпуса подшипников, поэтому всасывание осуществляется через осесимметричный конфузор, а нагнетание — через осевую трубу, в которой установлены устройства для измерения производительности.

Преимущество схемы, данной на рис. 120, в равномерности потока во всасывающей трубе, облегчающей точное измерение про­ изводительности и доступность передней стенки диффузора для проведения измерений в сечениях 2, 4 и промежуточных. У моде­ лей по схеме рис. 121 легче производить измерения в о. н. а. Кроме того, колесо в этом случае может быть расположено значительно ближе к подшипникам.

При испытании моделей ступеней и секций ц. к. с уменьшен­ ными размерами сохранить полное геометрическое подобие прак­ тически невозможно. Это связано, в частности, и со сложностью выполнения достаточно малых радиальных зазоров в лабиринтных уплотнениях. Для сохранения величины этих зазоров, обеспечи­ вающих соблюдение геометрического подобия, можно использо­ вать специальные демпферные опоры. Применение таких опор уменьшает вибрации ротора и исключает смятие усиков лабиринт­ ных уплотнений при любом числе оборотов, включая крити­ ческие.

На рис. 122 схематически изображена конструкция демпфер­ ной опоры, разработанная в СКВ по компрессоростроению (г. Ка­ зань) В. Б. Шнеппом. Обойма 1 устанавливается в корпусе под­ шипника в сухарях 2 с регулировочными прокладками 6. Между чередующимися выступами 4 и 5 подшипника и обоймы зажата рессорная втулка 5, состоящая, как и обойма с подшипником, из двух половин. Камеры а заполнены маслом, подаваемым на смазку подшипника под давлением 0,4—0,8 кГ1см2, и сообщаются между собой дроссельными щелями б. Для предотвращения выте­ кания масла из камер к обойме крепится крышка 7, не препят­ ствующая радиальным перемещениям подшипника и рессорной втулки.

ю

От

05

-vl

5

СП

Галеркин

А-А Подернуто

Рис. 121. Про­ точная часть стенда с кольце­

При вибрации ротора происходит изменение объемов камер а и масло, попеременно выдавливаясь через дроссельные щели, создает сопротивление перемещению подшипника. Этим и дости­ гается необходимый демпфирующий эффект.

4 3 . С т е н д ы с з а м к н у т ы м к о н т у р о м

В течение последних лет наблюдается резкий рост использо­ вания центробежных компрессоров в химической, нефтяной и га­ зовой промышленности.

Значительно расширилась область работы этих машин. Созданы компрессоры с давлением на всасывании, меняющимся в пределах от высокого вакуума до десятков кГ/см2, и сдавлением нагнетания до сотен атмосфер. Сжимаемые газы имеют резко отличные физи­ ческие свойства. Значения k колеблются в пределах 1,1— 1,66, а молекулярные веса — от 4 до 180. Во время испытаний нельзя рассматривать такие машины как простые воздушные компрессоры.

На рис. 123 дано схематическое изображение установки для испытания ц. к. на стенде с замкнутым контуром. Трубопровод с направляющими лопатками образует замкнутую петлю, соеди­ няющую нагнетание компрессора со всасыванием. Основными элементами установки являются модельный компрессор, газоохладитель, дроссельная заслонка, сужающее устройство для измере­ ния расхода газа, устройства для измерения давлений и темпера­ тур. Элементы установки, не входящие в схему замкнутого контура, включают в себя дополнительный компрессор и ресиверы, необходимые для нагнетания газа в систему. Ниже приводятся некоторые положения, которыми необходимо руководствоваться при расчете, проектировании и работе на стендах с замкнутым контуром [119].

Замкнутые контуры обеспечивают большую гибкость регули­ рования давления и температуры на входе в компрессор, чем стенды с открытым контуром. Регулирование этих переменных может быть очень точным, постоянство давлений и температур достигается быстрее, и как следствие, получается меньше нежелательных отклонений от расчетных условий. В результате повышается точ­ ность опытов и расширяются возможности экспериментаторов при применении замкнутых схем, так как разомкнутая схема позволяет использовать только одно рабочее тело—воздух атмо­ сферы.

При испытаниях по замкнутой схеме объем системы может быть мал. Например, полный объем системы, используемой для испыта­ ния компрессора мощностью 4000 кет с давлением на входе около 150 кГ/см2, меньше 4 м3. Уменьшение объема замкнутого контура особенно важно при применении редких дорогостоящих газов.

У замкнутой схемы имеются и другие ценные преимущества, например возможность применять метод измерения мощности, подводимой к компрессору, по тепловому балансу газоохладителя.

Применение стендов с замкнутым контуром позволяет иссле­ довать компрессор при расчетных нагрузках, давлениях и темпе­ ратурах, проверять уплотнения вала, устранять утечки при реальных условиях эксплуатации компрессора и определять их величину. Так как газ практически не теряется, целесообразно определять характеристики компрессора, применяя среду с физи­ ческими свойствами, на которые и была рассчитана машина.

Если нет возможности по тем или иным причинам использо­ вать при испытаниях рабочий газ, то может быть рекомендовано применение газа-заменителя. В идеале газ-заменитель должен обладать теми же физическими свойствами, что и газ, комприми­ руемый в процессе эксплуатации компрессора. В работах [108, 119] приводятся некоторые сведения о допустимых расхождениях в физических свойствах между газами-заменителями и рабочими газами. Иногда газ-заменитель составляется из нескольких ком­ понентов. В некоторых случаях, при пренебрежении сжимаемостью моделирующей средой может явиться вода.

Желательно, чтобы газ-заменитель обладал малой агрессив­ ностью, был нетоксичен, невзрывоопасен, недефицитен и недорог. Свойства газов, которые могут быть рекомендованы для работы на замкнутом контуре, в частности, при исследовании влияния k и R , приведены в приложении 15.

и мерного сопла, в соответствии с правилами измерения произво­ дительности. Диаметры труб должны соответствовать диаметрам патрубков компрессора. Толщина стенок труб должна быть доста­ точной, чтобы выдерживать рабочие давления.

Сопротивление системы не может превышать существующее повышение давления компрессора при любом режиме, при кото­ ром проводятся испытания. Поверхность теплообменника должна быть такова, чтобы он справлялся с максимальной тепловой нагруз­ кой, когда разница температур газа и охлаждающей воды мини­ мальна.

Необходимо отметить, что для ц. к. максимальный расход и максимальная мощность приблизительно совпадают с минималь­ ными повышениями давления и температуры и что хорошая работа стенда с замкнутым контуром во многом зависит от величины потерь давления в контуре и эффективности газоохладителя.

Замкнутую схему труднее проектировать и дороже создать для компрессоров с малым повышением давления, когда существуют ограничения падения давления в газоохладителе. В этом случае следует иметь сравнительно большие диаметры соединительных трубопроводов, а конструкция газоохладителей должна обеспе­ чивать минимальные потери давления. Для этой цели могут использоваться пластинчатые теплообменники. Более дешевыми