книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

При выражении через статические параметры уравнение (172) запишется иначе:

Определение мощности по методу теплового баланса сводится к определению температурного перепада между входным и выход­

ным сечениями и весового расхода G:

\т Ght

N t = - щ т квпг■

Во избежание ошибок необходимо иметь в виду, что при осу­ ществлении процесса сжатия всегда в большей или меньшей сте­ пени происходит теплообмен между компримируемым газом и кор­ пусом и между корпусом машины и окружающей средой. В ре­ зультате измеренная в конечном сечении температура может иметь меньшую величину, чем при отсутствии теплообмена, что, есте­ ственно, приведет к занижению полученного значения мощно­ сти Ni и, следовательно, к завышению к. п. д. По данным [74] тепловые потери составляют 1—2% при отношении давлений 2—4.

Чтобы уменьшить тепловые потери, корпус машины вместе с трубопроводами до контрольных сечений следует теплоизоли­ ровать. Для уменьшения влияния теплообмена на измеряемую величину ДТ* желательно располагать термозонды *непосред­ ственно за рабочим колесом. Однако неравномерность температур­

Для машины, имеющей промежуточные охлаждения, кон­ трольные сечения следует располагать таким образом, чтобы тем­ пература за неохлаждаемой ступенью или секцией измерялась до входа в газоохладитель. При наличии охладителей внутренняя мощность складывается из мощностей неохлаждаемых участков:

z

(173)

1

где г — число секций.

Оставляя в стороне вопрос о методах измерения температур, рассмотренный в п. 25, укажем, что точность определения внутрен­ него напора по указанному способу составляет при хорошей теплоизоляции, практически исключающей потери тепла, и при тщательно выполненных измерениях 0 ,5 — 1% при АТ* = 40-^- -r-60°. С увеличением отношения давлений, т. е. с ростом ДТ*, точность повышается. Этот метод является достаточно надежным и простым, так как не требует применения специальной сложной аппаратуры.

При известном крутящем моменте мощность определяется из

п — число оборотов ротора в минуту.

Крутящий момент может быть измерен с помощью балансир­ ного устройства или торсионного динамометра. Для этой цели используются различные варианты балансирных устройств: ка-

Рис. 107. Схема балансирного электродвигателя

чающийся статор электродвигателя, редукторные динамометры, качающийся статор экспериментального компрессора и др.

Обычно балансирное устройство либо выполняется в виде электродвигателя с подвижным корпусом, либо приводной двига­ тель любого типа устанавливается на балансирную раму. Корпус балансирного двигателя (рис. 107) имеет возможность качаться в шарикоподшипниках и через рычаг, закрепленный на статоре, действует на измерительный механизм при малейшем изменении крутящего момента на валу машины.

Реактивный вращающий момент на корпусе, равный моменту, развиваемому электродвигателем, передается на балансирный рычаг и стремится повернуть его в направлении, обратном враще­ нию вала. Величина момента определяется как произведение величины уравновешивающей силы на плечо — расстояние от оси

с подвижным грузом получают непосредственно величину крутя­ щего момента. Кроме рычажно-весовых существуют гидравличе­ ские и электрические силоизмерительные устройства.

Погрешность при определении мощности с помощью балансир­ ного устройства зависит от его предельной чувствительности,

точности весов и погрешности, вносимой при измерении числа оборотов. Под предельной чувствительностью балансирного устройства понимают минимальный вес, который надо приложить к плечу рычага корпуса, чтобы вывести его из положения равно­ весия.

Многочисленные исследования показали, что независимо от размеров устройства предельная чувствительность остается прак­ тически постоянной, а разница в чувствительности работающего и неработающего балансирного устройства невелика. Величина предельной чувствительности зависит от трения в подшипниках подвижного корпуса, жесткости токоподводящего проводника и вязкости масла в подшипниках. Для уменьшения трения в под­ шипниках иногда приводят наружное

величин в граммах, приведенных в табл. 5. При длине рычага, отличной от указанной, табличные данные должны быть пропор­ ционально уменьшены (удлиненный рычаг) или увеличены (умень­ шенная длина рычага). В соответствии с табл. 5 чувствительность допускаемых для серийных измерений балансирных электродви­ гателей должна составлять в среднем 0,2% от максимального момента.

Мощность, измеренная с помощью балансирного электродви­ гателя, включает мощность, затраченную на трение в зацеплении

иподшипниках мультипликатора и модели, потери на вентиляцию

ит. д. Наличие этих потерь энергии требует предварительного тарирования ходовой части экспериментальной установки. Для этого служат различные типы нагрузочных устройств — тормозов. Определение мощности с помощью балансирного электродвигателя наиболее оправдано в случае безредукторного варианта, т. е. непосредственного соединения модели с электродвигателем, и осо­ бенно при консольном расположении рабочего колеса одноступен­ чатой модели на валу электродвигателя.

Измерение крутящего момента с помощью торсионных дина­ мометров — торсиометров — основано на линейной зависимости

угла закручивания или касательных напряжений вала от вели­ чины передаваемого момента:

d — диаметр вала в м.

Касательные напряжения на поверхности вала определяются

В основном все типы торсиометров можно подразделить на механические, стробоскопические, акустические, оптические, элек­ трические и фотоэлектрические.

Наиболее широкое распространение получили приборы, осно­ ванные на электрических методах измерения. В этих приборах датчики торсиометров могут быть выполнены с использованием почти всех электрических методов измерения механических вели­ чин. Проволочные датчики — тензометры — требуют для своего размещения очень малый участок вала и практически не обладают массой. К недостаткам проволочных датчиков относится необхо­ димость применения токосъемных устройств и усилителей, что усложняет схему измерения. Кроме того, применение как жидко­ стных, так и щеточных токосъемников является источником по­ грешностей измерения.

Емкостные датчики торсиометров монтируются на валу таким образом, чтобы при деформации вала изменялась их емкость вследствие изменения зазора между обкладками конденсатора или эффективной площади обкладок.

Торсиометр, основанный на этом методе, отличается большой чувствительностью, но требует питания током повышенной ча­ стоты, применения усилителей, тщательной экранировки проводов, что ограничивает его применение. Так же как и в предыдущем случае, эти торсиометры требуют применения токосъемных устройств.

Индуктивные датчики торсиометров могут быть выполнены без применения контактных устройств. Однако такие датчики являются весьма сложными по конструкции, а их динамическая балансировка при высоких числах оборотов связана с большими трудностями. Индуктивные датчики требуют усилителей, и, кроме того, при их применении необходимо учитывать целый ряд факто­ ров, усложняющих исследование: влияние магнитных полей,

зависимость показаний от изменения частоты переменного тока, от непостоянства напряжения, питающего катушки, нелинейную зависимость показаний прибора.

Индукционные датчики торсиометров представляют собой системы из двух синхронных однофазных генераторов. Роторами генераторов являются многополюсные постоянные магниты. Ро­ торы жестко закреплены в двух сечениях вала. Статоры обоих генераторов имеют внутренние зубцы, в пазах которых располо­ жена обмотка. При нагруженном вале в результате угловой дефор­ мации роторы обоих генераторов сместятся в пространстве друг

метры основаны на использовании фотоэффекта для определения угла закручивания торсионного

валика. Торсиометры этого типа, по-видимому, найдут широкое применение для определения крутящего момента при испытаниях ц. к., но в литературе они освещены слабо. Поэтому остановимся на них более подробно. Напомним, что фотоэлектрическим эффек­ том называется возникновение или изменение электрического тока

вцепи, в которую включен фотоэлемент, под действием лучистой энергии.

Из большого многообразия фотоэлементов для использования

вторсиометрах наиболее целесообразными оказываются фото­ элементы, основанные на фотоэффекте в запирающем слое, — вен­ тильные фотоэлементы. Схема фотоэлемента с запирающим слоем приведена на рис. 108.

Специфическим и чрезвычайно ценным преимуществом фото­ элементов с запирающим слоем является то, что они не требуют специальных источников питания. Фотоэлементы с запирающим

слоем выпускаются нескольких типов: меднозакисные, селеновые, серносеребряные, серноталлиевые.

Для фотоэлектрического торсиометра, работающего при пере­ менных влажности и температуре, следует выбирать селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Такой элемент имеет удовлетво­ рительную чувствительность, линейную световую характеристику, хорошую устойчивость при освещениях, не превышающих 100 л/с, не требует специальных источников питания.

Принципиальная схема фотоэлектрического торсиометра пока­ зана на рис. 109.

На торсионном валу 1 закреплены две втулки 2 и 9. К торце­ вым поверхностям втулок жестко присоединяются два растровых диска 6, имеющих узкие радиально расположенные прорези. Корпус прибора 8 укреплен неподвижно на опоре 10 и имеет свето­ вые лабиринты 3. В корпусе по окружности установлены восемь фотоэлементов 7, включенных параллельно. С другой стороны растровых дисков 6 помещены источники света 4, от которых свет поступает на фотоэлементы через матовые стекла 5 и прорези растровых дисков. При разгруженном вале прорези растровых дисков имеют определенное раскрытие и под действием светового потока фотоэлементы генерируют фототок постоянной величины.

При нагруженном вале вследствие его закручивания происхо­ дит взаимное смещение растровых дисков, что изменяет величину открытия прорезей и, вместе с тем, освещенность фотоэлементов.

Изменение освещенности, линейно связанной с углом закручи­ вания вала, ведет к пропорциональному изменению величины фототока в цепи фотоэлементов. В фотоэлектрическом торсиометре наиболее ответственными деталями являются растровые диски. От точности их изготовления зависит точность прибора.

Первый образец фотоэлектрического торсиометра для опреде­ ления величины крутящего момента при исследовании ц. к. был создан в лаборатории компрессоростроения ЛПИ им. М. И. Ка­ линина [24]. Он был рассчитан на максимальную передаваемую мощность 40 л. с. при п = 16000 об!мин.

Торсиометр выполнен в виде проставка, смонтированного между редуктором и экспериментальной ступенью ц. к. Торсион­ ный вал не имеет собственных опор, соединяется посредством зуб­ чатых муфт с валом мультипликатора и ротором ступени.

Фотоэлемент представляет собой металлическую пластинку, покрытую слоем кристаллического селена. Отожженная пленка селена, нанесенная испарением в вакууме 10_б мм pm. cm. на пла­ стинку армко-железа, покрывается путем катодного распыления золотом. Слой золота должен быть тонок, чтобы не поглощать слишком большой процент света, но достаточным для обеспечения удовлетворительной электропроводности.

До проведения испытания торсиометр подвергается статиче­ скому тарированию. При тарировании производится регулирова­ ние режима накала осветительных ламп. Момент, закручивающий вал, определяется по рычажному динамометру, а по показаниям фотоэлемента строится кривая зависимости момента от силы тока. Устанавливается условный ноль шкалы прибора для уменьшения погрешности измерений. Средняя погрешность тарирования ме­ нее 1,0%.

Нелинейность кривой М = / (/), вызванная неточностью изготовления прорезей растрового диска, устраняется смещением дисков посредством поворота втулок, к которым они крепятся. При этом изменяется начальное открытие прорезей растровых дисков. Испытания показали, что погрешность при измерении кру­ тящего момента определяется практически средней погрешностью статического тарирования и составляет менее 1,0%.

Погрешность при измерении мощности без учета потерь в опор­ но-упорных подшипниках ступени составляет около 1%.

Методы определения мощности с помощью торсионных динамо­ метров получили достаточно широкое распространение и при тща­ тельном исполнении приборов дают возможность производить из­ мерения с высокой степенью точности. В Чехословакии на заводе ЧКД [115] применяется торсионный динамометр со стробоскопи­ ческим отсчетом показаний. Отличительная особенность динамо­ метра — относительно большая длина торсионного вала (/ = 1 м, d = 11,75 мм). Угол скручивания вала при номинальном режиме составляет 52°, при максимальном — 64°. Погрешность измерения

момента составляет ±0,43% . Помимо простоты принципа действия достоинством прибора является то, что он встроен в вал экспе­ риментальной модели и измеряет момент непосредственно на рабо­ чем колесе.

Использование большинства типов торсиометров для точного измерения мощности сопряжено с рядом трудностей. При повыше­ нии скорости вращения свыше 15 000—20 000 об!мин возникают трудности с организацией токосъема и тарирования приборов. Кроме того, использование этих методов не освобождает исследова­ телей от необходимости тарирования ходовой части установки для определения механических потерь. Установка торсионного вала на низкооборотной части между мультипликатором и приводом упро­ щает производство измерений, но одновременно усложняет опреде­ ление потерь в ходовой части.

Для уменьшения погрешности от остаточных деформаций торсионного вала желательно до и после всякого измерения проверять положение нулевой точки в измерителе крутящего момента. Она может быть найдена как среднее значение между показаниями при прямом и обратном вращении вала, если кру­ тящий момент для страгивания ротора в подшипниках и в муль­ типликаторе одинаков в обоих направлениях.

Торсиометры при тщательных измерениях позволяют произ­ вести определение мощности с погрешностью до 1—2% при усло­ вии, что скорость вращения ротора измеряется с точностью до 0,1—0,2%.

Определение мощности Ne, потребляемой компрессором, а также внутренней мощности Nt с помощью электроизмерений произво­ дится только в случаях, когда невозможны измерения описан­ ными выше методами. При измерениях электрической мощности уравнение моментов представляют в виде

зависящих от многих переменных, естественно, приводит к боль­ шей неточности измерения отдаваемого электродвигателем мо­ мента М 9 чем при использовании торсионных динамометров или балансирных устройств.

Для повышения точности измерения электрической мощности необходимо выполнение следующих требований.

1.Класс точности электроизмерительных приборов должен быть не менее 0,2.

2.Нельзя использовать при определении мощности, отдавае­

мой электродвигателем, указываемый на фирменной табличке к. п. д., так как он справедлив только на номинальном режиме при определенных окружающих условиях.

3 8 . Т а р и р о в а н и е х о д о в о й ч а с т и э к с п е р и м е н т а л ь н ы х с т е н д о в

При испытаниях моделей на экспериментальных стендах для оценки эффективности исследуемых проточных частей требуется знание внутренней мощности. В большинстве случаев измерений моментов с помощью балансирных устройств и торсиометров и всегда при измерениях электрической мощности приводных дви­ гателей определяемая мощность включает ряд составляющих, идущих на преодоление внешних по отношению к проточной части потерь.

Под ходовой частью установки будем понимать все ее элементы, потери в которых не входят в выражение, определяющее величину внутренней мощности. В типичной экспериментальной установке эти потери состоят из потерь в мультипликаторе, потерь в опор­ ных и опорно-упорном подшипниках экспериментальной ступени, секции или компрессора и потерь в электродвигателе.

Расчетным путем эти потери не могут быть найдены с достаточ­ ной точностью, поэтому необходимо их экспериментальное опре­ деление, что выполняется тарированием ходовой части эксперимен­

тальных стендов. Для тарирования к валу модели со снятым коле­ сом присоединяется нагрузочное устройство. Момент от ходовой части, подводимый на нагрузочное устройство, у которого обяза­ тельно имеется качающийся статор, измеряется балансирным спо­ собом. При тарировании стенда и испытании модели температура и давление масла должны быть одинаковыми.

По принципу действия нагрузочные, или тормозные, устрой­ ства делятся на механофрикционные, гидравлические, аэродина­ мические и электрические [35].

Механофрикционные колодочные или ленточные тормоза могут быть применены для тарирования ходовой части установок срав­ нительно небольшой мощности (350—400 кет) при п ^ 2000 об!мин. Достоинствами их являются простота и дешевизна. Главный недостаток — непостоянство коэффициента трения и, следова­ тельно, большая погрешность измерения (до 5%).

Электрические тормозные устройства не отличаются по прин­ ципу действия от балансирных электродвигателей. Различаются устройства постоянного и переменного тока.

Наиболее часто применяют машины постоянного тока, скорость вращения у которых достигает 4000 об/мин при максимальной измеряемой мощности 20 000 кет. Возможная ошибка измерения момента 0,1—0,2%. Машины переменного тока применяются для измерения мощностей менее 200 кет при п ^ 6000 об!мин. Погреш­ ность измерения момента составляет 0,2—0,5% [35]. Основными недостатками электрических тормозных устройств являются их высокая стоимость и большие габариты.

Аэродинамические тормоза с крыльчаткой, помещенной в ко­ жух, который может перемещаться в осевом направлении, позво­ ляют регулировать нагрузку. Для этого типа тормозов харак­ терны небольшое — менее 2000 — число оборотов и сравнительно высокая погрешность определения момента, доходящая до 3% . Аэродинамические тормоза отличаются простотой конструкции при хорошей устойчивости скорости вращения.

Весьма широко в качестве нагрузочного устройства исполь­ зуются гидравлические тормоза. Они могут быть применены для определения больших, средних и малых крутящих моментов.

Мощность, поглощаемая гидротормозом, расходуется либо на трение движущихся частей о воду, либо на совершение гидро­ динамической работы по перемещению жидкости. При вращении ротора движущаяся жидкость, воздействуя на стенки подвешен­ ного на подшипниках статора, увлекает его за собой. Часть мощ­ ности, превращенная в тепло, отводится с охлаждающей водой, которая непрерывно циркулирует в статоре. Изменение нагрузки осуществляется изменением количества протекающей жидкости,т. е. величиной поверхности дисков тормоза, соприкасающихся с ней.

На рис. ПО изображена схема двухступенчатого гидротор­ моза с гладкими дисками.