книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин
..pdfЮ. Б. Галеркин Ф. С . Рекстин
МЕ Т О Д Ы
И С С |
Л Е Д О В А |
Н И Я |
|
Ц Е Н |
Т Р О Б Е Ж |
Н Ы Х |
|
К О М П Р Е С С О Р Н Ы |
Х |
||
М А Ш И Н |
|
|
И зд ател ьство „М аш иностроение11 Л енинград 1969
Методы исследования центробежных компрессорных машин. Галеркин Ю Б , Рекстин Ф С , изд-во «Машиностроение», 1969, 304 стр Табл 5 Илл 133 Библ 132назв.
Книга посвящена методам экспериментального исследования проточной части центробежных компрессоров (ц. к.) и основана на отечественном и зарубеж ном опыте в этой области.
Рассматриваются некоторые аспекты теории подобия применительно к экс периментальному исследованию ц. к. Рекомендуются критерии для оценки эффективности секций и ступеней ц. к. и их элементов* рабочего колеса, лопа точного и безлопаточного диффузоров, обратного направляющего аппарата и др. Устанавливаются контрольные сечения для размещения измерительных приборов. Приводятся способы обработки опытных данных с помощью ЭВМ и газодинами ческих функций. Освещаются вопросы осреднения измеряемых параметров по тока, а также погрешность эксперимента.
Описываются методы и рекомендуются измерительные и регистрирующие приборы для определения параметров потока в абсолютном и относительном дви жении, а также для измерения нестационарных процессов. Приводятся методы тарирования. Анализируются различные способы измерения мощности, крутя щего момента, скорости вращения ротора и производительности компрессора.
Приводятся схемы и принципиальные конструктивные решения экспери ментальных стендов с замкнутым и открытым контурами, установок ЭГДА, стендов статических продувок и установок для визуализации потока.
Книга предназначена для инженерно-технических работников заводов, НИИ и вузов, занимающихся исследованием ц. к. и других типов т^рбомашин, а также может быть использована студентами соответствующих специальностей.
Рецензент канд. техн. наук В. Б. Шнепп Редактор д-р техн. наук К. П. Селезнев
3-3—7 352—68
П р е д и с л о в и е
Грандиозная программа коммунистического строительства, при нятая на X X III съезде КПСС, ставит перед машиностроителями серьезные задачи по созданию различных высокоэффективных машин и механизмов, отвечающих современному уровню разви тия техники.
Ни одна отрасль народного хозяйства не может обойтись без использования компрессорных машин. Бурное развитие метал лургической, химической, нефтегазовой и других отраслей про мышленности привело к значительному количественному и ка чественному росту отечественного компрессоростроения.
Среди других типов компрессоров центробежные компрессоры (ц. к.) в силу ряда преимуществ занимают одно из ведущих мест. Области применения ц. к. неуклонно расширяются. Объемные производительности современных ц. к. лежат в области от деся тых долей до нескольких тысяч кубических метров в минуту. Созданы ц. к. для отношения давлений до 50—60. Работают цир куляционные компрессоры с конечным давлением около 300 кГ1см2. Однако современный уровень знаний о процессах в проточной части центробежных компрессорных машин все еще не позволяет получить строгие теоретические зависимости, оценивающие эф фективность отдельных элементов проточной части и их влияние друг на друга. Расчет и проектирование центробежных компрес соров, а также их дальнейшее совершенствование по-прежнему базируются на экспериментальных исследованиях ступеней и секций ц. к. и их элементов.
Для получения объективных данных о процессах в проточной части ц. к. необходим правильный выбор методов и аппаратуры экспериментального исследования. Круг организаций, занимаю щихся исследованием ц. к., неуклонно расширяется. Создается заново и усиливается экспериментальная база компрессорных заводов; организуются новые и расширяются старые проектно конструкторские бюро и научно-исследовательские институты. Задача обобщения отечественных и зарубежных методов иссле дования ц. к. в связи с этим становится актуальной.
Отсутствие единой точки зрения по ряду методических вопро сов затрудняет сравнение и анализ публикуемых материалов. Применение в некоторых случаях недостаточно продуманных методов исследования ставит под сомнение правильность получен ных результатов. В изданных за последние годы монографиях
методы экспериментального исследования ц. к. и применяемая аппаратура отражены недостаточно полно или обойдены молча нием.
Содержание книги основано на отечественном и зарубежном опыте исследования стационарных ц. к. Объем книги не позволил осветить все методические вопросы экспериментальной работы. По этой причине, в частности, не затронуты вопросы исследования течения в пограничном слое и методы исследования напряжен ного состояния подвижных и неподвижных элементов ц. к. Од нако некоторые разделы гл. VI могут быть полезны при создании аппаратуры для изучения динамической прочности.
Отдельные разделы книги авторами написаны совместно со
следующими товарищами: |
п. |
3 — с инж. |
Б. |
Я. Бритваром, |
|
пп. 4, |
5, 15 — с инж. А. А. Диментовой; п. |
16 — с инженерами |
|||
Э. А. |
Бельской, Л. И. Очковой и канд. техн. наук T. Н. Скорохо |
||||
довой; |
гл. VI — с инж. Р. |
А. |
Измайловым; |
гл. VII — с канд. |
|
техн. наук А. А. Даниловым. |
|
|
|
||
Всем этим лицам авторы |
приносят глубокую благодарность. |
У с л о в н ы е о б о з н а ч е н и я
А — — тепловой эквивалент механической работы в ккал/кГ-м;
а— ширина канала в радиальной плоскости в м; скорость распространения звука в м/сек;
|
b — ширина канала в меридиональной плоскости по оси |
|
|
машины в м; |
|
|
с — абсолютная скорость газа в м/сек; |
|
ср и су — удельные |
теплоемкости при постоянном давлении |
|
|
и объеме в ккал/кгград; |
|
|
D — диаметры характерных сечений проточной части в м; |
|
г = |
— гидравлический диаметр в м; |
|
|
F — площадь в м2; |
|
|
f — сечение |
канала в м2; |
G_— вес газа в кг;
G — весовая производительность в кг/сек; g — ускорение силы тяжести в м/сек2;
H, h — напор соответственно для группы ступеней и ступени
в кГ-м/кг;
i— угол атаки i — $л — Р в град; энтальпия в ккал/кг; масштабный множитель;
if ^ — газодинамическая функция;
К— аэродинамические коэффициенты пневмометрических приборов;
k — показатель адиабаты; абсолютная шероховатость;
h — k
~~ ~~j—— относительная шероховатость;
|
I — характерный размер; длина канала в м; |
М = |
с — критерии сжимаемости; |
|
М — крутящий момент в кГ-м; |
|
— мощность в кет; |
|
fi — скорость вращения ротора в об/мин; показатель по |
P» |
литропы; |
Р* — статическое и полное давление в кГ/м2; |
|
qf = — |
, |
|
— газодинамическая функция; |
|
R — газовая постоянная в кГ-м/кг-град; |
|
Re — число Рейнольдса; |
гр |
г — ось в цилиндрической системе координат; коэффициент |
восстановления термоприемника; |
|
’ |
** — термодинамическая и полная (заторможенная) темпе |
|
ратура в °К; |
|
t — температура в °С; |
|
и — переносная (окружная) скорость в м/сек; |
|
U — смоченный периметр в м; |
|
|
V — объем газа в м3; |
|
|
|
|
|
|
V — объемная производительность в м3/мин; |
|
|||
|
|
V— удельный объем газа в м3/кг; |
|
|||
|
|
w — относительная скорость газа в м/сек; |
|
|||
|
|
z — число лопаток; |
число ступеней, секций компрессора; |
|||
|
|
число приемных отверстий |
в пневмометрическом при |
|||
|
|
боре; ось в цилиндрической системе координат, совпа |
||||
|
|
дающая с осью вращения ротора; |
|
|||
|
|
а — угол между скоростью с и направлением и в град; |
||||
|
|
ал — угол между касательной |
к |
средней линии |
профиля |
|
|
|
направляющих |
лопаток |
и |
направлением и |
в град; |
|
|
Р — угол между скоростью w и направлением, обратным ц, |
||||
|
|
в град; угол скоса потока в град; |
профиля |
|||
|
|
Рл — угол между касательной |
к |
средней линии |
||
|
|
лопаток колеса и направлением, обратным и, в град; |
||||
|
|
Ртр — коэффициент потерь дискового трения; |
|
|||
|
|
Рпр — коэффициент внутренних протечек; |
|
|||
|
|
У — удельный вес в кГ/м3; |
|
|
|
|
|
|
Ô— угол скоса потока в град; |
|
|
||
|
|
е — отношение удельных объемов; |
|
|||
|
Ef = |
р----газодинамическая функция; |
|
|
||
|
|
Р |
|
|
|
|
|
|
т| — коэффициент полезного действия; |
|
|||
|
~G |
|
|
|
|
|
|
v « = 1 — |
"•д- утечек; |
|
|
|
|
|
|
X— безразмерная скорость; коэффициент трения; |
|
|||
|
|
(it — коэффициент динамической вязкости в кГ •сек/м2; |
||||
|
|
V— коэффициент кинематической вязкости в м2/сек; |
||||
|
|
Уже — угол раскрытия |
эквивалентного конического |
диффу |
||
|
|
зора в град; |
о |
|
|
|
|
РвЫХ |
|
|
|
||
|
л = ——±----отношение давлении в элементе; |
|
||||
|
Я/ : _ |
Рвх |
|
|
|
|
|
Р — газодинамическая функция; |
|
|
|||
|
|
Q— плотность газа в кг-сек2/м4; коэффициент реакции; |
||||
|
|
вспомогательная величина; |
|
|
||
|
|
т — время в сек; коэффициент стеснения потока лопатками; |
||||
|
тf = |
y*----газодинамическая функция; |
|
|
||
ф ~ |
—, ср — — — коэффициент расхода; |
|
|
|
||
|
я£>2а2 |
U<2 |
|
|
|
|
|
|
ф — угол между меридиональными сечениями; |
|
|||
|
ф = |
----коэффициент напора; |
|
|
|
|
|
|
и2 |
|
|
|
|
|
|
со — угловая скорость вращения ротора в рад/сек; |
|
|||
|
|
Q — степень реактивности. |
|
|
|
|
|
|
И н д е к с ы |
|
|
|
i — внутренний; местный;
/— номер точки измерения в контрольном сечении в направлении оси г или z;
т— проекции вектора на меридиональную плоскость; параметры смеси газов;
г— внутренние потери энергии в элементах ступени и компрессора;
s — номер точки замера в контрольном сечении по окружности; а — атмосферный;
ад — адиабатный; вх — входное сечение рассматриваемого элемента;
вых — выходное сечение рассматриваемого элемента;
Г— гидравлический;
д— динамический; диффузор;
е— эффективный;
ид — идеальный; из — изотермный; изм — измеренный;
к — конечное (выходное) сечение секции и компрессора; колесо; конфузор;
кр — критическое значение параметра;
м— модель;
н— начальное (входное) сечение секции и компрессора; опт — соответствующий режиму т)тах;
п— политропный;
пом — помпажный; пр — приведенные параметры газа;
пред — предельные значения параметра; р — расчетный; Т — теоретический; ут — утечки;
э — эталонный; 0 — вход в рабочее колесо;
1 — вход в решетку колеса; 2 — выход из рабочего колеса; вход в бл. д;
3 — выход из бл. д; вход в л. д.; 4 — выход из л. д.;
О' — выходное сечение промежуточной ступени; оо — параметры на бесконечности до и после исследуемого объекта;
* — параметры газа в адиабатно-заторможенном потоке.
Со к р а щ е н и я
а.у. — аэродинамический угломер;
ф. у. — флажковый угломер; бл. д. — безлопаточный диффузор;
л. д. — лопаточный диффузор;
о.н. а. — обратный направляющий аппарат;
р.к. — рабочее колесо;
т.п. д. — трубка полного давления;
т.с. д. — трубка статического давления;
ц. к. — центробежный компрессор.
Остальные условные обозначения поясняются в тексте.
П р и л о ж е н и е т е о р и и п о д о б и я к э к с п е р и м е н т а л ь н о м у и с с л е д о в а н и ю
ц е н т р о б е ж н ы х к о м п р е с с о р о в
1. У с л о в и я п о д о б и я
Несмотря на значительные успехи теории турбомашин, ме тоды их расчета и проектирования, равно как и дальнейший про гресс теории, базируются на результатах экспериментального исследования.
Достоверные характеристики центробежного компрессора, т. е. зависимости к. п. д. и напора от производительности, могут быть получены только экспериментальным путем. Исследованию должен быть подвергнут либо сам компрессор, либо его модель, выполненная в некотором масштабе I J l ^ 1. При определенных условиях, когда течения в натурном и модельном компрессоре являются подобными, их безразмерные характеристики полностью совпадают.
Общая теория подобия определяет условия, при которых один объект может быть заменен другим, с тем чтобы все проис ходящие в них явления были качественно одинаковы, а количе ственные параметры были связаны известными соотношениями.
Подробно |
теория подобия излагается в специальных работах |
|||||
[76, |
85], а |
применительно к турбомашинам — в работах [1, 36, |
||||
37, |
45, |
60, |
61, |
66, |
82, |
87]. |
Подобие физических |
явлений при сжатии рабочих сред в про |
точной части центробежных компрессоров, т. е. совпадение без размерных характеристик, имеет место при кинематическом и динамическом подобии потоков.
При кинематическом подобии потоков в сходственных точках модели и натуры скорости имеют одно и то же направление, а отношение их величин одинаково, т. е. имеет место подобие треугольников скоростей.
При динамическом подобии потоков отношение сил, действую щих на сходственные элементы модели и натуры, есть величина постоянная.
В свою очередь, условия кинематического и динамического подобия в проточной части ц. к. соблюдаются, если имеют место следующие условия:
1. Геометрическое подобие модели и натуры. При этом отно шение всех сходственных линейных размеров проточных частей, включая размеры, характеризующие шероховатость стенок, должно быть постоянно:
-J- = idem. |
(1) |
2. Подобие треугольников скоростей. У геометрически подоб ных ц. к. это условие соблюдается при равенстве коэффициентов расхода, т. е. отношения характерной скорости газового потока к характерной скорости вращающегося ротора:
фг = ^ = idem. |
(2) |
За характерную скорость ротора, как правило, принимают окружную скорость на периферии рабочего колеса. В зависимости от принятой характерной скорости ст1 различают виды коэффи циентов расхода <pt-.
При испытаниях на стендах статических продувок неподвиж ных решеток подобие треугольников скоростей достигается при
условии равенства углов |
атаки |
|
|
|
i = |
idem. |
(3) |
3. Подобие давлений |
= |
idem и плотностей |
= idem, |
что для газов, подчиняющихся уравнению Клапейрона, обеспе чивается при выполнении условий
k = |
— |
= |
idem; |
(4) |
|
cv |
|
|
|
Мг = -J- = idem, |
(5) |
|||
|
al |
|
|
|
или |
|
|
|
|
\ = |
~ |
= |
idem. |
(5a) |
|
aKDL |
|
|
|
При соблюдении остальных условий подобия справедливость выражений (5) и (5а) имеет место при равенстве условных чисел М:
Ми = ан = idem. |
(56) |
4. Равенство отношений сил инерции к силам трения, харак теризуемое числом Рейнольдса
Re, = M l . |
(6) |
При соблюдении всех остальных условий подобия выражение
(6) справедливо при равенстве условных чисел Рейнольдса
Re„ = ^ |
. |
(6а) |
5.Равенство степени турбулентности потока на входе у натуры
имодели. Это условие особенно важно соблюдать при испытании отдельных каналов и решеток на стендах статических продувок. При испытаниях центробежного компрессора в целом, а также его секции или ступени считается, что несоблюдение этого усло вия не оказывает заметного влияния на характеристики.
Всовременных компрессорах, исключая компрессоры с внут ренним охлаждением и некоторые специальные случаи (например, машины для глубокого вакуума), процессы теплообмена пре небрежимо мало влияют на рабочий процесс; поэтому равенство критериев теплового подобия не считается необходимым усло вием при моделировании ц. к.
Соблюдение приведенных выше условий обеспечивает прибли женное подобие течения в модели и натурной машине и практи
ческое совпадение |
безразмерных характеристик. |
В сравнительно |
редких случаях объектом детального экспе |
риментального исследования может стать сам натурный компрес сор, работающий на заданной рабочей среде при заданном давле нии и температуре. Чаще для сокращения сроков изготовления и уменьшения стоимости экспериментальной установки, а также снижения потребляемой мощности модельные компрессоры вы полняются в уменьшенном масштабе. Наоборот, если речь идет о создании получающих все большее распространение так назы ваемых микрокомпрессоров, модель может быть выполнена в большем масштабе, что облегчает проведение детальных экс периментальных исследований и делает ненужными высокообо ротные приводы.
Заводы и исследовательские организации в настоящее время часто не имеют стендов с замкнутым контуром или возможности этих стендов ограничены. Поэтому обычно, если компрессор предназначен для работы не на воздухе, а на газе с другими фи зическими свойствами или при входных условиях, не соответ ствующих атмосферным, его модель не сможет быть испытана с соблюдением всех условий подобия. Даже в тех редких случаях, когда имеется стенд с замкнутым контуром, при создании ком прессоров для агрессивных, высокотоксичных или взрывоопасных