книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

являются теплообменники с ребристыми трубками, в которых, однако, несколько увеличиваются потери давления. Теплооб­ менники с гладкими трубками, снабженные специальными перего­ родками для поперечного омывания трубчатых поверхностей, экономически целесообразно применять в том случае, если допустимое падение давления равно 0,4—0,8 кГ!см%. При высо­ ких давлениях газа их применение ограничено из-за больших напряжений, возникающих в корпусе теплообменника.

Если допустимы большие потери давления, то целесообразно использовать такие газоохладители, в которых газ омывает вну­ треннюю поверхность трубок. В этом случае можно применять длинные трубки малого диаметра. Преимуществом такой конструк­ ции является то, что корпус газоохладителя не подвергается давлению газа.

Дроссельная задвижка должна быть настолько малой, на­ сколько это допустимо. Лучше всего подходят для высокого давления конические вентили. Нет необходимости применять слишком большие задвижки; они чрезмерно дороги и затрудняют регулирование режимов работы. С другой стороны, применение слишком маленьких задвижек может сузить исследуемый диа­ пазон производительности.

Для снижения затрат и во избежание протечек при избыточ­ ных давлениях газа выше 6 кГ!см2 предпочтительно выполнять все соединения сварными. В этом случае фланцевые соединения применяются только у компрессорных патрубков, вместе установки мерного сопла и дроссельной задвижки.

При проектировании должно быть предусмотрено удаление влаги, в любом случае образующейся в трубопроводах системы замкнутого контура. Если возможно, дренажная труба должна подсоединяться к нижней точке установки; сливные трубопроводы должны иметь достаточно большое сечение. На выходе из мерного сопла образуется естественный сепаратор; здесь трубопровод горизонтален и имеет удобное место для дренажного устройства, служащего для удаления жидкости во время эксплуатации уста­ новки. Если газ нельзя выпускать в атмосферу, то дренажное устройство должно монтироваться в какой-либо изолированной емкости. Для обеспечения хорошей работы дренажное устройство необходимо устанавливать в зонах относительно малой ско­ рости.

Кроме того, в трубопроводах должно быть необходимое коли­ чество штуцеров для приборов, измеряющих температуру и давле­ ние, а также для заполнения системы, ее вакуумирования и про­ дувки.

Для определения полных характеристик компрессора обычно необходимо измерить давление и температуру газа, расход и под­ водимую мощность, а также знать физические свойства газов.

Для определения температуры газа рекомендуется исполь­ зовать термопары и термометры, установленные в гильзах. При этом нужна большая осторожность. Гильзы должны быть спроек­ тированы так, чтобы они могли выдерживать наивысшие давление и температуру газа. Поломка гильз особенно опасна при ис­ пытаниях по замкнутой схеме.

Давление можно измерять при помощи контрольных маноме­ тров с трубками Бурдона и U-образных манометров. Эти при­ боры должны быть работоспособны при наивысших давлениях в контуре. При высоких давлениях выбор манометров для опре­ деления перепада давлений является существенной проблемой.

Когда рабочее давление выше безопасного для манометров со стеклянными трубками, следует использовать манометры сильфонного типа. Эти приборы применяются для очень высоких давлений и при измерении самых различных перепадов давления.

Для определения эффективной мощности существует несколько методов, описанных в гл. VII. Из-за больших скоростей вращения роторов современных компрессоров на стендах с замкнутым кон­ туром в основном применяется метод определения мощности по перепаду температур.

При замкнутой схеме может быть использован также метод определения мощности с использованием водяной цепи газоохладителя. Почти во всех случаях возможно, используя водяную систему охлаждения замкнутого контура, с достаточной точностью определять мощность на валу. При установившемся процессе энергия, подводимая к газу, и энергия, отобранная в газоохладителе, равны. Энергия, подводимая к валу, вычисляется как сумма энергии, переданной газом охлаждающей воде, потерь на трение в подшипниках и потерь на излучение в окружающую среду. Радиационные потери, как правило, составляющие менее 2%, могут быть определены расчетными методами; практически ра­ диационные потери могут быть значительно снижены за счет теп­ лоизоляции установки. Потери на трение в подшипниках обычно составляют менее 0,5% и могут быть определены по методу тепло­ вого баланса при измерении всех необходимых величин в маслосистеме.

Для точного измерения количества тепла, подводимого к охлаж­ дающей воде, необходимо соблюдать специальные меры предосто­ рожности при определении величины расхода и повышения тем­ пературы. Мерное сопло, которое используется для измерения расхода, нужно тарировать вместе с трубопроводом. Термометры должны быть лабораторного типа со шкалами, выбранными таким образом, чтобы они подходили для данной области измерения температур, и с ценой деления 0,1°. Нужно тщательно подбирать места установки гильз, чтобы избежать неравномерного обтека­ ния. В каждом мерном сечении необходимо устанавливать по два прибора во избежание случайных ошибок. При повышении тем­

пературы воды меньше чем на 20° нельзя ожидать высокой точ­ ности измерений.

Давление в системе охлаждающей воды должно быть постоян­ ным. Чтобы избежать колебаний давления, обычно происходящих в промышленных водяных системах, иногда бывает необходимым использование отдельной насосной установки. Если газоохладитель очень мощный, то возможно применение рециркуляционного насоса; в этом случае тепло, добавляемое насосом, должно быть определено и учтено при составлении уравнения теплового ба­ ланса.

При работе компрессора по замкнутой схеме особенно важно точное измерение скорости вращения, так как из-за малого объема системы обычные колебания скорости могут создать неприемле­ мые нарушения режима давлений и температур. Поэтому необхо­ димо для контроля применять тахометр, способный определять изменения скорости с точностью до 0,2%. Если для определения мощности используется измеритель крутящего момента, то ско­ рость следует измерять с точностью до 0,1%.

При испытании компрессора по замкнутой схеме необходимы приборы для контроля плотности газа. Помимо этого, необходимо знать величину k газовой смеси. При высоких давлениях следует принимать во внимание поправку на реальность газа. К сожале­ нию, нет приборов, пригодных для определения поправок не­ посредственно на испытательном стенде. Их следует определять при помощи лабораторного анализа пробы газа; таким образом, точность вводимой поправки на реальность зависит от надежности анализа пробы. Невозможность непосредственно в системе опре­ делить величину k и поправку на реальность газа является наи­ более сложной проблемой при исследованиях по замкнутой схеме.

Во время сборки замкнутого контура очень важно соблюдение абсолютной чистоты. Опилки в трубах, капли металла, оставшиеся после сварки, кусочки пакли и другие посторонние предметы, нечаянно забытые в трубопроводе, могут серьезно повредить ком­ прессор и измерительную аппаратуру.

Когда рабочей средой являются газы, отличные от воздуха, очень важно уменьшение протечек. После обычных гидравличе­ ских испытаний незначительные протечки можно определить обмыливанием. При работе на фтористо-углеродистых соединениях для более тщательного определения протечек можно использовать галоидный течеискатель.

Уплотнения вала играют существенную роль для уменьшения утечек газа. Если это возможно, то очень хорошо произвести предварительные испытания системы на воздухе. Это дает воз­ можность проверить герметичность всей системы и работу ком­ прессорной установки, а также одновременно испытать эффек­ тивность дренирующих устройств для удаления влаги.

Несмотря на наличие большого количества разновидностей уплотнений быстровращающихся валов, приходится констати­ ровать, что наиболее надежно полную герметизацию можно соз­ дать только при капсюлировании установки или же применении экранированного электродвигателя.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 125. В качестве опор используются шариковые подшипники с тексто­

Вследствие жесткого крепления применение шаровых и цилин­ дрических зондов возможно только в том случае, если было про­ ведено их предварительное тарирование при различных углах

ные отверстия в стенках проточной части диаметром 0,6 мм,

контуром

1 —бачок; 2 —трубки батарейного манометра с закрытым резервуаром; 3—коллектор, 4 —ртут­ ный U образный манометр

Трубки запаяны в стенки проточной части и установлены под углом вероятного натекания потока.

В качестве приборов, регистрирующих давления, служат водя­ ные батарейные с закрытым резервуаром и ртутные U-образные манометры, подсоединенные по схеме, изображенной на рис. 126. Ртутным манометром 4 измеряется разность давлений р и атмо­ сферного; водяными манометрами 2 определяются разности между

ри давлениями в остальных точках контрольного сечения. Для измерения перепада температур на входе и на выходе

используются дифференциальные термопары. Кроме того, на входе и выходе из модели измеряются абсолютные значения тем­ ператур термопарами и ртутными термометрами.

Рассмотренный стенд является одной из первых отечествен­ ных установок с замкнутым контуром, предназначенных для по­ элементного исследования ступеней ц. к. на различных газах.

4 4 . С т е н д ы д л я и з у ч е н и я ф и з и ч е с к и х я в л е н и й

Доводка проточной части центробежной ступени, а также изучение физических явлений, происходящих в ней, могут быть осуществлены на моделях, имитирующих не только ступень с вращающимся ротором в целом, но и отдельные элементы сту­ пени — входные и выходные патрубки, поворотные колена, о. н. а., меридиональный профиль р. к. и т. д.

При этом возможно использование методов различных анало­ гий (ЭГДА, ГАГА), а также статических продувок. Последние имеют много общего с исследованиями в аэродинамических тру­ бах и установках для продувок плоских решеток. Наибольшее распространение получили методы ЭГДА с моделированием на электропроводной бумаге или с помощью жидкого электролита и статические продувки.

Картина течения несжимаемого потенциального потока, полу­ ченная при исследовании методом ЭГДА, не может полностью совпадать с действительной картиной течения вязкого сжимае­ мого потока в проточной части ступени. Однако общие закономер­ ности течения, особенно в тех областях, где нет отрывов потока, позволяют оценить степень совершенства элемента ступени, полу­ чить картины распределения скоростей по сечениям канала и его контуру, оценить равномерность эпюры скоростей в характерном участке. Использование метода ЭГДА, особенно сравнительно про­ стого и быстрого моделирования на электропроводной бумаге, позволяет резко сократить число вариантов, подвергающихся по­ следующей доводке при статических продувках или натурном моделировании.

Более строгим с точки зрения соответствия действительным условиям работы центробежной ступени является исследование методом статических продувок. В этом случае такие элементы

ступени, как входной и выходной патрубки, поворотные колена, о. н. а., могут испытываться в условиях, почти полностью сов­ падающих с условиями работы в натурной ступени.

Рассмотрим схемы установок ЭГДА и статических продувок. Как известно, использование ЭГДА основано на тождествен­ ности уравнений движения идеальной несжимаемой жидкости и электрического тока в однородной проводящей среде при одинако­ вых граничных условиях. Для плоского безвихревого движения в общем виде эти уравнения в обоих случаях имеют вид уравне­

ний Лапласа

В случае гидродинамического поля величина А соответствует скорости потока, а в случае электрического поля — напряжен­ ности.

При моделировании методом ЭГДА обычно используются электропроводная бумага или электролит, в которых можно полу­ чить однородное электрическое поле.

Для создания однородного электрического поля возможно также использование фольги, токопроводящей краски и других материалов.

Использование в качестве модели тела из проводящего мате­ риала, помещенного в электрическое поле, дает возможность ре­ шать задачи циркуляционного обтекания, например, решетки профилей. Однако такая аналогия представляет определенные трудности и в настоящее время еще не нашла широкого примене­ ния.

Определение величины скорости производится следующим образом. При электрических измерениях по мостовой схеме опре-

деляется ряд эквипотенциальных линий через равные промежутки разности потенциалов Аф. Средняя скорость на участке пропорцио­

в любой точке сводится к сравнению расстояний между эквипо­ тенциальными линиями по линиям тока с расстоянием между ними на участке, где скорость принята за эталон. При измерении потенциометрическим методом определяется напряженность на участке конечной длины /0 (/0 — расстояние между иглами двой­

При моделировании с помощью электропроводной бумаги обычно применяются выпускаемые серийно интеграторы типа 9/61. Интеграторы такого типа представляют собой измерительный мост постоянного тока с выпрямителем от сети переменного тока. Во время работы измерительное устройство можно переключать со схемы моста на схему компенсационного потенциометра для измерения напряженности в точке. Технические характеристики интеграторов, описание конструкции и порядок работы с ними имеются в специальной литературе [91 ]. При моделировании на электропроводной бумаге можно решать двухмерные плоские и осесимметричные задачи. В последнем случае должна при­ меняться бумага с переменной по длине проводимостью, назы­ ваемая также клиновой. В настоящее время производство такой бумаги осваивается промышленностью. В лабораторных условиях клиновую бумагу можно изготовить с помощью электропровод­ ного клея из бумаги постоянной проводимости.

Погрешности при измерениях на электропроводной бумаге связаны с ее электрической неоднородностью, особенно в случае переменной проводимости. Для уменьшения погрешностей целесо­ образно использовать метод эквипотенциальных линий, а не метод измерения напряженностей в точке. При определении эквипотенциалей погрешность определяется отношением среднего значения удельного сопротивления участка бумаги к сопротивлению всей модели, а не случайным отклонением на участке, как при измере­ нии напряженностей в точке. По данным работы [91 ] погрешность измерений составляет 1—2%.