3. Обработка результатов испытаний. Универсальные характеристики компрессора

3.1 Основные задачи и методика обработки экспериментальных данных автоматизированных испытаний компрессоров

3.1.1 Основные задачи обработки результатов автоматизированных испытаний компрессоров

Основным средством измерений при испытаниях компрессоров ГТД является измерительно-вычислительная система (ИВС), обеспечивающая восприятие информации об измеряемом процессе или объекте (первичное измерительное преобразование), ее выделение сбором, преобразованием и обработкой по требуемым алгоритмам, и отображение выделенной информации в виде, необходимом для восприятия оператором, либо для передачи в другую систему [5, 11].

В зависимости от условий использования выходной информации ИВС могут функционировать в качестве автономных средств измерений (контроля) либо как подсистемы входить в сложные иерархические многоуровневые системы сбора и обработки данных – измерительно-вычислительные и управляющие вычислительные системы. Выделенные основные функции ИВС реализуются схемой, представленной на рис. 16, которая содержит совокупность первичных измерительных преобразователей (ПИП), подключенных к объекту измерений, централь (ядро) и средства сопряжения ПИП с централью.

Централью, в зависимости от назначения системы и решаемой задачи, является аппаратура сбора регистрации и отображения данных либо вычислительное устройство (центральная или базовая ЭВМ) с периферийным оборудованием, обеспечивающим вывод информации в форме, необходимой для ее дальнейшего использования. Чтобы передать эквиваленты измеряемых величин в централь, необходимо обеспечить сопряжение ПИП с централью в соответствии с условиями совместимости их свойств и характеристик.

Рис. 16. Общая схема стендовой ИВС:

Д₁ – датчики; ПИП – первичные измерительные преобразователи; БНКС – блоки нормализования к коммутации сигналов; УПОИ – устройства первичной обработки информации – процессоры аналоговых сигналов (необходимая коммутация каналов осуществляется внутри указанных средств, дистанционная передача данных не выделена); АЦП – аналого-цифровые преобразователи

Уравнение, связывающее входные и выходные переменные (сигнала) ИВС, можно записать в общем виде

где ̶ множество выходных переменных сигнала;

̶ множество входных измеряемых и влияющих величин;

̶ оператор систем, определяющий связь между входными и выходными величинами, в том числе с учетом алгоритма решаемой задачи.

В соответствии с принятой в математической физике терминологией задачу измерений (контроля), решаемую ИВС, можно отнести к двум классам: прямым и обратным задачам [4].

Содержанием прямой задачи является определение отклика – поведение объекта по известной информации о его входном сигнале, т.е. отыскание неизвестных следствий заданных причин. Для решения прямой задачи на объект измерений воздействуют образцовым испытательным сигналом и по измеренной информации на входе объекта – отклику – определяют характеристику объекта.

Восстановление входного сигнала ИВС по измеряемому отклику на выходе оказывается обратной задачей, так как в этом случае предполагается обращение причинно-следственной связи. По-существу, любая задача интерпретации результатов измерений, решение которой позволяет исключить или уменьшить влияние на эти результаты погрешностей используемых средств измерений и обработки данных, является в известном смысле обратной.

Задача измерений состоит в определении процесса по зарегистрированному сигналуи операторугдепрямой оператор используемых средств измерений и преобразования измерительной информации в сигнал

где результирующая погрешность указанных средств;

оператор, обратный прямому оператору .

Обратный оператор должен приводить процесс к процессуявляющемуся в общем случае оценкой процесса.

Решение прямой и обратной задач основано на анализе сигналов во временной области (параметрический анализ), частотной области (спектральный анализ) и на анализе статистических характеристик сигналов как во временной, так в частотной областях (статистический анализ). Такое распределение анализа сигналов тесно связано с существованием двух обобщенных видоизмерений – статических и динамических.

3.1.2 Методика обработки экспериментальных данных

Различают первичную и вторичную обработку результатов испытаний.

Первичная обработка полученных результатов заключается в осреднении параметров потока в контрольных сечениях и переводу значений замеренных величин в единицы СИ.

Полученные для каждого приемника гребенки значения замеренного параметра А усредняются по выражению

где n – число измерений в каждой режимной точке.

После этого производится осреднение между отдельными приемниками гребенки. Полученное среднее значение параметра в контрольном сечении используется в дальнейших расчетах. Перевод измеренных значений параметров в истинные значения производится по тарировочным графикам или аналитическим зависимостям.

Вторичная обработка результатов испытаний производится в следующей последовательности.

1. Определяется степень повышения давления в компрессоре, как отношение абсолютных полных давлений в сечениях 2-2 и 1-1

где В – атмосферное давление, кПа;

избыточное полное давление соответственно перед и за компрессором.

2. Приведенная скорость в расходомерном устройстве

где абсолютное статическое давление в расходомерном устройстве, кПа;

абсолютное полное давление в расходомерном устройстве, кПа.

3. Массовый расход воздуха через компрессор определяется с учетом тарировочного коэффициента

кг/см,

где k_G – тарировочный коэффициент расходомерного устройства;

F – площадь мерного цилиндра, м²;

m – параметр рода газа;

для воздуха m=0,0403 (кг·К/Дж)^0,5;

полная температура на входе в компрессор, К;

газодинамическая функция расхода, которая может определяться также по таблицам газодинамических функций или по формуле

4. Частота вращения компрессора

где f – количество импульсов, зарегистрированных частотомером-хронометром за одну секунду;

i – количество выступов на вращающемся валу.

5. Крутящий момент на валу компрессора

Н·м,

где k_M – коэффициент статического тарирования торсионной рессоры;

f – показания частотомера-хронометра;

φ_max – максимальный угол закрутки рессоры, град;

φ₀ – начальный угол закрутки, определяемый по результатам динамической тарировки торсионной рессоры, град.

6. Мощность, потребляемая компрессором

кВт.

7. Адиабатный КПД компрессора

Обработка измерительной информации по изложенной методике заключается в расчете основных характеристик компрессора – функциональных зависимостей и̶ с целью построения типовой характеристики компрессора и выработки необходимых рекомендаций о его конструктивном и аэродинамическом совершенствовании [12].

Дроссельные характеристики компрессора, представляющие собой зависимости основных параметров компрессора: степени повышения давления , приведенного массового расходапри заданном положении выходного дросселя(Д_р=idem) очень важны. Примерный вид этих характеристик представлен на рис. 17 [13].

Рис. 17. Дроссельная характеристика компрессора [13]

Сама по себе измерительная информация представляется в виде протоколов замера основных параметров компрессора в характерных сечениях (примеры протоколов испытаний на рис. 18, 19)[12].

Рис. 18. Протокол испытаний по измерению статического давления в мерном цилиндре, мм. вод. ст.[13]

Рис. 19. Протокол испытаний по результатам обработки опытных данных

С помощью ИВС осуществляется также автоматизированный сбор информации о функционировании основных агрегатов и систем испытательного стенда. Собранная таким образом информация от первичных датчиков через комплекс вторичной преобразующей аппаратуры поступает в ЭВМ, где подвергается обработке в соответствии с программным обеспечением [5]. Здесь и далее под программным обеспечением УВК СМ-2М понимается совокупность машинных операций, заложенных в определенной последовательности, позволяющая всей ИВС решать стоящие перед ней задачи, а именно: осуществлять опрос первичных датчиков, проводить допусковый контроль параметров, формировать протокол испытаний, выдачу его на печать или дисплейный модуль, производить накопление необходимой информации в соответствии с требованиями режима аварийного централизованного контроля [12].

3.2 Определение универсальных характеристик компрессора

При работе компрессора в системе судового ГТД в связи с изменением климатических условий района плавания судна и скорости хода изменяются такие входные параметры, как давление , температура, расход воздухаG, частота вращения n, вязкость воздуха μ, его теплопроводность λ и теплоемкость С_р, показатель изоэнтропы k.

Для КПД и степени повышения давления в общем случае можно запи-

сать следующие функциональные зависимости:

Приведенные зависимости называются нормальными характеристиками компрессора, но они очень не удобны при их практическом использовании, так как являются многофункциональными, что делает невозможным их графическое представление.

Использование положений теории подобия позволяет с помощью критериальных комплексов, составленных из независимых переменных, сократить их число и представить характеристики компрессора в виде

Зависимости называютсяуниверсальными характеристиками компрессора.

Для удобства пользования вместо параметров подобия ичасто используют пропорциональные им величины, определяемые при стандартных атмосферных условиях

называемые приведенным расходом воздуха и приведенной частотой вращения. Эти параметры удобны тем, что при работе компрессора на стенде в стандартных условиях и отсутствии потерь во входных устройствах они численно равны действительным значениям частоты вращения и расхода воздуха.

Типовая универсальная характеристика компрессора в форме зависимостей, определяемых соотношениями , показана на рис. 20.

Рис. 20. Типовая универсальная характеристика компрессора:

1 – граница устойчивой работы; 2 – область сгущения; 3 – линия рабочих режимов;

В, В₁ – „верхний срыв”; Н – „нижний срыв”.

Поле характеристики ограничено границей устойчивой работы, областью сгущения, где увеличение частоты вращения не приводит к возрастанию расхода.

На поле характеристик можно указать линию рабочих режимов – геометрическое место точек режима работы этого компрессора в системе данного ГТД (характеристику сети компрессора в системе ГТД).

Такую характеристику на стенде можно получить путем изменения мощности приводного двигателя и положения дроссельной заслонки, установленной в улитке компрессора (воздухоподводящем канале). При этом можно получить режим работы компрессора в требуемом диапазоне параметров G_пр и n_пр.

В процессе проведения эксперимента измеряются: расход воздуха G, полное давление, температура торможения во входном и выходном сечениях компрессора, крутящий момент (мощность) и частота вращения. По этим величинам определяются степень повышения полного давления π_к и КПД η_к при каждом сочетании двух параметров G_пр и n_пр и строится характеристика компрессора, т.е. зависимость [5].

ВЫВОД

Активное оснащение уникальных испытательных стендов газотурбинных опытных конструкторских бюро, серийных и ремонтных заводов, специализирующихся на создании, доводке, изготовлении и ремонте газотурбинных двигателей, перспективными аппаратными средствами измерения большого числа различных физических параметров и ЭВМ позволяет считать, что задача испытаний близка к разрешению. Сегодня специалистами накоплен огромный опыт создания и внедрения мощных и эффективных расчетных методов обработки и анализа результатов испытаний.

Особое место в обеспечении современного уровня испытаний ГТД занимают автоматизированные системы управления стендов серийных и ремонтных заводов. К таким системам управления предъявляются иные требования, чем, скажем, к системам исследовательских испытательных стендов. Испытания на стендах серийных предприятий имеют достаточно жесткий регламент и объемную технологию испытания. Автоматизированные системы управления испытанием газотурбинных двигателей на стендах заводов должны обеспечивать: повышение метрологической идентичности, информативности и оперативности испытания, максимальное приближение условий испытания к реальным условиям эксплуатации; снижение энергетических, топливных и материальных затрат за счет сокращения времени наработки; безопасность и всесторонний контроль технологического оборудования; снижение трудозатрат; накопление обширной базы данных и проведение на ее основе глубокого анализа характеристик двигателей; выявление "слабых" мест в технологических процессах и выработку рекомендаций, направленных на их устранение.