книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин
..pdf±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.
В |
таком |
конструктивном |
оформ |
|
||||||
лении |
он |
применяется |
при |
и 2 ^ |
|
|||||
^ |
60 ч-70 м/сек. Недостатком |
при |
|
|||||||
бора |
является |
также |
невозмож |
|
||||||
ность |
измерений |
вблизи |
стенки, |
|
||||||
на которой крепится его дер |
|
|||||||||
жавка. |
исследований |
при |
высо |
|
||||||
|
Для |
|
||||||||
ких скоростях |
может |
быть |
реко |
|
||||||
мендован |
приемник статического |
Рис. 78. Схема шарового прием |
||||||||
давления, показанный |
на |
рис. 78. |
||||||||
ника для измерения статического |
||||||||||
Он |
представляет собой |
модифика |
давления в относительном движении |
|||||||
цию |
приемника, |
рассмотренного |
|
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.
Недостатком описанного при |
|
|||
бора является зависимость та- |
|
|||
рировочной характеристики от |
|
|||
температуры, так как газ в замк |
|
|||
нутом |
объеме |
при |
изменении |
|
температуры и постоянном дав |
|
|||
лении занимает различные объ |
|
|||
емы. Это является также причи |
|
|||
ной дополнительных погрешно |
|
|||
стей измерения. |
устройство |
|
||
Одноточечное |
|
|||
с диафрагменным |
манометром |
|
||
описано в работе [121]. Специ |
|
|||
альный |
манометр укреплен на |
|
||
конце консольного вала осевого |
|
|||
вентилятора. |
Допустимая ско |
|
||
рость вращения 800 об!мин. Воз |
|
|||
можность замера только в одной |
|
|||
точке делает детальные измере |
|
|||
ния длительными и снижает их |
|
|||
точность. |
|
|
|
|
Для |
исследований моделей |
|
||
гидравлических машин, которые |
|
|||
в силу большого удельного веса |
|
|||
рабочего тела |
имеют значитель |
|
||
ные перепады давлений в про |
Рис. 79. Схема установки с вращаю |
|||
точной |
части |
даже |
при очень |
щимися манометрами |
низких |
окружных |
скоростях, |
|
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
бочего и |
покрывающего дисков, выступающие за диаметр D 2 до |
D = 650 |
мм. |
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
форму: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 4 X |
. T r = |
idem- |
|
|
<|5 7 > |
||
где (опр — предельно |
допустимая |
угловая скорость |
вращения |
|||||
вала прибора; |
котором |
расположена |
ось жидкостного |
|||||
dcp — диаметр, |
на |
|||||||
манометра; |
|
|
|
|
|
|
|
|
d6H— внутренний диаметр трубок манометра; |
|
|||||||
у — удельный |
вес |
жидкости; |
|
|
|
|
||
С — капиллярная |
постоянная. |
|
|
|
|
|||
Опытным путем эта зависимость была подтверждена и полу |
||||||||
чена величина постоянной В |
“вн |
для |
некоторых |
жидкостей. |
||||
Для этилового спирта и |
ацетона |
В = |
75,4 |
Ммм-сек. |
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
создание малогабаритных |
передатчиков на несколько |
десятков |
точек, способных работать |
при 15 000— 18 000 об/мин, |
практи |
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.
' г з |
« |
s |
6 7 |
8 9 |
10 |
11 |
12 |
13 H 15 16 17 |
Рис. 82. Передатчик давления с пневматическим переключающим устройством [12]
Уплотняющая |
втулка запрессована |
в неподвижный стакан 3 |
и поджимается |
к шарику пружиной |
2. |
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
|
360°!п, где п — число пар |
плоских |
||||||||
|
пружин. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Возвратно-поступательное дви |
|||||||||
|
жение |
поршня |
12 осуществляется |
|||||||
q |
сжатым воздухом давлением 2 а т и , |
|||||||||
подаваемым в полости по обе |
сто- |
|||||||||
“П |
роны |
от |
него через |
штуцера |
21. |
|||||
" Уплотнение |
рабочих |
плоскостей |
||||||||
|
осуществляется |
при |
помощи |
вра |
||||||
|
щающихся |
уплотнений на |
порш |
|||||||
|
не 12 и втулке 10 и неподвижного |
|||||||||
|
уплотнения |
14. |
|
|
|
|
|
|||
в -в |
Во |
время замера |
давление по |
|||||||
обе стороны |
поршня |
атмосферное. |
||||||||
РазВертпа цилиндра |
||||||||||
Поджатие |
|
избирательного |
диска |
|||||||
|
|
|||||||||
,18 |
к распределительному для |
герме |
||||||||
|
тизации отверстий осуществляется |
|||||||||
|
пружиной |
11. |
|
|
|
|
|
|||
|
Достоинством конструкции сле |
|||||||||
Рис. 83. Схема переключающего |
дует считать то, что предельное |
|||||||||
число |
оборотов |
такого |
прибора |
|||||||
устройства [12] |
лимитируется только |
его |
статиче |
|||||||
|
ской и динамической |
прочностью: |
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
нии давления от 0,2 до |
1,5 а т а |
(при других давлениях |
прибор |
не испытывался). |
|
|
|
Схема пульта управления передатчика показана на рис. 84. |
|||
При замере давления в |
одной из |
рабочих точек краны |
3, 4 за |
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