книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин

сколько пониженным к. п. д., зато при производительности меньше расчетной к. п. д. повышается.

Хотя в нашу задачу входит не формулирование требований к характеристикам, а только обсуждение способов их сравнения, напомним следующее.

Наиболее предпочтительной формой характеристики к. п. д. является прямая, параллельная оси абсцисс т] = r]max = 1. Такая характеристика имела бы место у идеального компрессора, рабо­ тающего как на расчетном режиме, так и на остальных режимах без потерь. Из характеристик к. п. д. двух реальных компрессоров предпочтительнее та, которая более полога, т. е. ближе к прямой параллельной оси абсцисс, и у которой т]тах больше.

Что касается формы напорной характеристики, то требования к ней определяются условиями эксплуатации. В некоторых слу­ чаях необходимо подавать одинаковое количество газа в сеть, сопротивление которой меняется. В этом случае напорная харак­ теристика должна приближаться к прямой, параллельной оси ординат, т. е. к характеристике идеального компрессора объемного типа. Наоборот, если при примерно одинаковом давлении нужно подавать в сеть различные количества газа, более подходящая напорная характеристика приближается к прямой, параллельной оси абсцисс.

Вопрос о преимуществе характеристик какого-либо из компрес­ соров, рассчитанных на одинаковую производительность и конеч­ ное давление, решается путем рассмотрения характеристик типа

л, г] = f (V или G), изображенных на общем графике. Сравнивая безразмерные характеристики моделей, нужно пред­

ставить их в измененных координатах, позволяющих произвести

Такие относительные координаты для характеристики напор— расход позволяют сравнивать ее форму у ц. к., значения цр и у которых не совпадают. Представлять зависимость к. п. д. в отно­

сительном виде не следует, так как это мешает сравнивать абсо­ лютные значения. Удобство предлагаемого преобразования без­ размерных характеристик в безразмерные относительные характе­ ристики иллюстрируют рис. 22, где по данным ЛПИ приведены характеристики двух ступеней с разными (Зл2 и соответственно раз­ ными значениями <ропт и ф0/ш, представленные в обычном виде на рис. 22, а и трансформированные по выражению (90) — рис. 22, б.

Сравнение характеристик, изображенных графически, наибо­ лее объективно и полно, однако для быстрого сопоставления и ко­ личественной оценки формы характеристик различными исследова­ телями используется ряд коэффициентов. Приведенные ниже коэффициенты достаточны для оценки формы характеристик.

1. Коэффициент крутизны напорной характеристики в коор-

Д инатах^ = f ( ^ )

Здесь индексами 1 и 2 отмечены параметры в начале и конце отрезка характеристики, для которого строится коэффициент,

Рис. 22. Представление безразмерных характеристик ступеней в обычном

ипреобразованном по выражению(90) виде ^~р-=0,04; и2■- 280м/сек^:

л- Эл2 = 33°; О —Зл2 = 60°

представляющий собой не что иное, как тангенс угла наклона прямой, стягивающей отрезок характеристики.

Рекомендуется применять следующие разновидности этого коэффициента:

коэффициент крутизны для участка <р0 — <рпом

коэффициент для правого отрезка характеристики на участке

Разумеется, коэффициент X^ может применяться и в других пределах, кроме перечисленных.

2. Коэффициент зоны экономичной работы

Коэффициент показывает, какую долю от расчетной составляет диапазон производительности, при которой к. п. д. равен или больше, чем 0,9т]тах. Обозначения ясны из рис. 23. Чем более по­ лога характеристика к. п. д., тем больше коэффициент /Сл.

Рис. 23. Исходные данные для опре­ X. = $3**-. (97) деления коэффициента /С^ по харак­

теристике к. п. д.

Коэффициент целесообразно использовать в тех случаях, когда ожидается, что компрессор будет эксплуатироваться в основном при производительности меньше расчетной.

Вэтой главе сделана попытка внести некоторое единообразие

ввыбор критериев, оценивающих эффективность и режим работы элементов проточной части центробежных компрессорных машин. Применением перечисленных параметров можно решить вопросы оценки эффективности, возникающие при ведении большого круга исследований проточной части. Однако эти критерии не всеобъем­ лющи и могут быть по мере надобности дополнены другими.

Большему знакомству читателя с некоторыми из затронутых здесь вопросов могут способствовать соответствующие разделы работ [61, 74, 128].

О б р а б о т к а

о п ы т н ы х д а н н ы х

13. К о н т р о л ь н ы е с е ч е н и я и р а з м е щ е н и е п р и б о р о в

Под обработкой опытных данных понимается определение по результатам измерений характеристик проточной части ц. к., вклю­ чая также и сведения о структуре потока. Задача исследования определяет выбор тех или иных характеристик, нужную степень точности этих характеристик, выбор контрольных сечений и расста­ новку в них приемников измеряемых импульсов. Поэтому, прежде чем перейти к изложению способов обработки опытных данных, следует рассмотреть вопрос о выборе контрольных сечений и рас­ становке приборов.

При экспериментальном исследовании многоступенчатых ком­ прессоров, например с целью доводки до заданных параметров, важно знать характеристики отдельных ступеней или групп сту­ пеней. Эти характеристики позволяют определить основные источ­ ники потерь и степень согласованности отдельных ступеней и секций машины между собой. При модельных испытаниях на спе­ циальных стендах для более полного понимания процесса течения в ступени следует получить не только ее суммарные характери­ стики, но и характеристики отдельных элементов.

Все эти задачи могут быть решены, если при экспериментах производить измерение параметров потока по условным поверхно­ стям, отделяющим друг от друга отдельные элементы ступеней, а также соседние ступени многоступенчатых компрессоров и весь компрессор от остальных элементов компрессорной установки. Такие условные поверхности называются контрольными сечениями.

Обычно место расположения контрольного сечения должно отвечать противоречивым требованиям. Если речь идет о получе­ нии суммарных характеристик элемента проточной части, то из чисто практических соображений хотелось бы расположить огра­ ничивающие сечения на таком удалении от каналов этого элемента, при котором возмущающее действие этих каналов перестало бы влиять на структуру потока в контрольных сечениях. Получение высокой точности исследований в тех случаях, когда в контроль­ ных сечениях поток очень неравномерен, требует увеличения коли­ чества измерений. Соответственно растет объем расчетной работы.

Но удаление сечений от исследуемого элемента приводит к тому, что измеряемые параметры учитывают потери энергии также и на участках проточной части, не входящих в исследуемый элемент. Кроме того, если важно знать структуру потока, то измерения в далеко расположенных контрольных сечениях необъективны.

При теоретическом анализе рабочего процесса контрольные сечения, ограничивающие рабочее колесо, лопаточный диффузор и лопаточную решетку обратного направляющего аппарата, счи­ тают проходящими по входным и выходным кромкам лопаток. Сечения обозначаются двойными буквами или цифрами, например Я —Я, 2—2 и т. п.

Образующие кольцевых контрольных сечений, выбираемых при экспериментальном исследовании, как правило, прямые, располо­ женные на некотором удалении от проекций кромок лопаток па­ раллельно им. Это позволяет измерять параметры потока непо­ движными приборами на входе и выходе решеток рабочих колес. Кроме того, некоторое удаление приборов позволяет учесть потери в следе за лопатками. Будем обозначать эти сечения одной буквой или цифрой.

На рис. 24 показана схема многоступенчатого компрессора ста­ ционарного типа с основными контрольными сечениями. Началь­ ное (Я) и конечное (К) сечения ограничивают проточную часть компрессора или секции и в принципе совпадают с плоскостями фланцев входного и выходного патрубков. Практически при испы­ таниях компрессоров приборы располагают на некотором удале­

ское, сечение 2, подобно всем сечениям, ограничивающим элементы проточной части с лопаточными аппаратами, находится на некото­ ром удалении от выходных кромок рабочего колеса.

Сечение 3 расположено перед входом в лопаточный диффузор; таким образом, безлопаточный участок диффузора между р. к. и л. д. ограничивается сечениями 2 и 3. Часто протяженность этого безлопаточного участка столь невелика, что практически сечения 2 и 3 совпадают. При отсутствии лопаточного диффузора совпадают сечения 3 и 4.

Сечения 3 и 4 ограничивают л. д., сечения 5 и 6 — о. н. а. Про­ точная часть ступени промежуточного типа ограничена сечениями О и 0' ; последнее обычно является и сечением 0 для следующей ступени. В проточную часть первой ступени часто включают вход­ ное устройство, тогда она ограничена сечениями Я и 0'. Концевая ступень ограничена сечениями 0 и К.

При испытании натурных ц. к. или моделей, полностью имитш рующих их проточную часть, исследователь не располагает боль­

шой свободой для выбора того или иного положения контрольных сечений. Сконструировав специальную экспериментальную уста­ новку, такую свободу можно обеспечить. Рассмотрим вопросы, связанные с расстановкой приборов и выбором контрольных сече­ ний для такого случая. На рис. 25 изображена проточная часть экспериментальной модели для исследования рабочих колес и сту­ пеней с безлопаточными диффузорами.

Рис. 24. Расположение контрольных сечений в проточной части многоступен чатого компрессора

При достаточно большом внутреннем напоре и теплоизоляции основных теплопередающих поверхностей возможно достаточно точно определять работу, подводимую к газу, по разности темпе­ ратур.

Параметры атмосферного фоздуха Та и ра измеряются в услов­ ном сечении а. Атмосферное давление ра определяется по данным метеостанции. В случае, если существует опасность, что бароме­ трическое давление в месте установки стенда существенно отли­ чается от измерений ближайшей метеостанции, барометр должен

входить в комплект измерительных приборов стенда. Температура воздуха определяется лабораторным ртутным термометром с ценой деления 0,1° С. Термометр устанавливается в ресивере на всасы­ вании, где в силу очень малых скоростей воздуха можно принять, что Тизм = Та.

Описываемая экспериментальная установка не имела специаль­ ных сужающих устройств для определения производительности, что позволило сократить ее длину. Производительность ступени и состояние газа на входе определяются по измерениям в сече-

Рис. 25. Проточная часть стенда ЭЦК-4 ЛПИ им. М. И. Калинина

нии 0. В этом сечении должны быть измерены полное и ста­ тическое давление, а также направление потока, если cUo =£ 0. Как показывают расчеты и проверочные опыты, теплообмен между сечениями а и 0 пренебрежимо мало влияет на температуру воз­ духа, поэтому принимается, что Т*0 = Та. Для контроля показа­

ний термометра в сечении 0 устанавливалась хромель—алюмелевая экранированная термопара.

Потери в цилиндрической части осевого входного патрубка от­ носительно невелики; структура потока в сечении 0 может пред­ ставлять интерес только в том случае, если изучается влияние формы сложного входного устройства на работу ступени. Поэтому во избежание обратного влияния вращающихся элементов у моде­ лей аналогичной конструкции сечение 0 можно располагать на достаточном расстоянии от входа в колесо. Но в то же время и цилиндрический кольцевой участок входного патрубка перед сечением должен быть достаточно длинным во избежание плохой

организации потока в контрольном сечении из-за возмущений в переходном патрубке. На установках кафедры компрессорострое-

потока из-за вращения колеса при всех режимах не наблю­ далась.

Подобно большинству ступеней стационарного типа модель не имела принудительной закрутки на входе. При наладочных испытаниях в сечении 0 проверялось отсутствие закрутки от вра­ щающихся элементов и снимались поля полных и статических

Рис. 26. Распределение скоростей в меридиональной плоскости сечения О ступени с осевым входом

давлений по высоте сечения вдоль трех радиусов, расположенных в радиальной плоскости под углом 120° друг к другу. Измерения показали практически полную круговую симметрию потока и по­ стоянство статического давления по радиусу. Как показано на рис. 26, распределение скоростей по радиусу, связанные с распре­ делением потерь полного давления, мало зависит от величины МСо. На основании результатов наладочных опытов при испыта­ ниях различных вариантов ступеней в сечении 0 определялось статическое давление по показаниям от трех сверлений на диа­ метре DH и такого же количества точек на диаметре Dem.

Полное давление измерялось по показаниям трех т. п. д. с про­ током установленных на радиусах специально подобранных таким образом, что на всех режимах арифметически осредненное полное давление в этих точках практически равно осредненному по сече­

нию. Проведение детальных наладочных испытаний позволило отказаться от траверсирования потока в этом сечении при основ­ ных испытаниях и ограничиться установкой трех неподвижных приборов.

Для детального изучения потока в бл. д. равномерно по его длине располагалось пять кольцевых контрольных сечений с оди­ наковой расстановкой приборов.

Поскольку в меридиональной плоскости в направлении оси по­ ток в контрольных сечениях за колесом и в диффузорах меняет свою форму в зависимости от режима работы, необходимо произ­ водить траверсирование. На разных расстояниях от передней стенки бл. д. с помощью т. п. д. с протоком диаметром 2 мц изме­ рялось полное давление в пяти точках по ширине равной 17 мм. Крайние точки находились на расстоянии 1 мм от стенок. Обычно поток в сечениях, подобных рассматриваемому, траверсируется в 5—9 точках; если размер b невелик по сравнению с приемником давления, число точек может быть меньше. Обычно принимают нечетное число точек и располагают их так, чтобы средняя была на

следовало бы производить траверсирование потока в каждом сечении в нескольких точках по оси Z, однако в данном случае это привело бы к недопустимому усложнению эксперимента. Тщательная обработка результатов, полученных при наладочных испытаниях, показала, что для определения суммарных характе­ ристик элементов достаточен учет неравномерности в круговом направлении путем измерения параметров потока на расстоянии Ы2 от стенок в нескольких сечениях по углу <р. В каждом кольцевом

расчетом, чтобы их приемные отверстия располагались на средней линии бл. д. в меридиональной плоскости.

Статические давления в контрольных сечениях не менялись в направлении оси г или менялись линейно. Они измерялись через сверления на задней и передней стенках в четырех точках по окруж­ ности.

Особого внимания заслуживает вопрос о выборе положения

малым b 2/D 2. Для измерений использовался термоанемометр; полные давления осреднены по времени. Наблюдавшееся резкое падение полного давления в диапазоне D /D 2 = 1,0-г-1,08 объяс­ няется тем, что на этом участке происходит смешение активного ядра потока со следами за лопатками. Справедливо полагать, что эти потери должны быть отнесены к потерям в колесе, поэтому подходящим местом для размещения сечения 2 можно было бы счи­ тать DID 2 ^ 1,07-5-1,08.

Результаты измерений (рис. 27), проведенных в ЛПИ им. М. И. Калинина обычными пневмометрическими приемниками при рабочих скоростях, не обнаружили вблизи колеса особого участка с резко падающим полным давлением. Очевидно, можно рекомендовать и далее располагать сечение 2 на D/D2 ^ 1 ,0 5 1 ,0 6 , как это делалось уже в течение длительного времени.

На выходе проточная часть модели ограничивается сечением К> расположенным на расстоянии около трех калибров от начала на­ гнетательной трубы. Это расстояние недостаточно для сглаживания неравномерности потока на выходе из сборной камеры, однако его увеличение нежелательно, так как вместе с ним увеличиваются габариты, гидравлическое сопротивление трубы, а также поверх­ ность теплообмена газа с окружающей средой. Неравномерность потока в этом сечении не могла оказать существенного влияния на определение средних параметров потока, так как скорость в сече­ нии находилась в пределах ск/и 2 ^ 0,05-^0,1.

Всечении К полное давление определялось по показаниям трех

т.п. д. с протоком, неподвижно закрепленных на различных ра­ диусах, расположенных под углом 120° и подобранных аналогично тому, как это было сделано в сечении 0. Статическое давлейие измерялось тремя сверлениями в стенке трубы, разнесенными по окружности. Для определения температуры служил лабораторный ртутный термометр с ценой деления 0,1° С и две контролирующие его показания термопары.

При наличии лопаточного диффузора схема расстановки прибо­ ров в контрольных сечениях 2, 3, 4 и подобных им должна быть несколько иной, так как в этом случае необходимо учесть возника­ ющую шаговую неравномерность.

На рис. 28, а показан вариант размещения точек замеров в ра­ диальной плоскости, позволяющий определять параметры и струк­ туру потока с учетом шаговой неравномерности в том случае, если имеется окружная симметрия потока, т. е. параметры потока во всех сходственных точках каналов одинаковы.

Практически такая схема трудно применима, так как с учетом

размеров координатников размещение обычных 6— 10 точек заме­ ров по шагу одного канала требует больших ухищрений. Предпоч­ тительнее схема на рис. 28, б, в которой точки замеров размещены в разных каналах. Если поток несимметричен по окружности, эта схема приемлема для получения осредненных по шагу и окруж-