книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

на входе, температура газа на входе в турбину, масла и воды на выходе из турбокомпрессора, а также частота вращения ротора и вибрация турбокомпрессора. При превышении указанными параметрами предельных значений, могущих привести к аварии турбокомпрессора, специальная система аварийной защиты должна обеспечить остановку стенда. Наиболее просто это осуществляется выключением мотора привода топливного насо­ са высокого давления, подающего топливо в камеру сгорания.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА НА СТЕНДЕ

При работе турбокомпрессора на стенде на каждом устано­ вившемся режиме выполняются следующие условия совместной работы турбины и компрессора: равенство их мощностей и частот вращения. Расход воздуха через компрессор в общем случае не равен расходу газа через турбину как из-за наличия утечек в уплотнениях турбокомпрессора и неплотности воз­ душной системы и сжигания топлива в камере сгорания, так и по причине возможного поступления добавочного количества воздуха в турбину из заводской магистрали.

Рассмотрим влияние некоторых факторов на условия совместной работы турбины и компрессора на стенде. В общем случае

Предполагается, что механические потери учтены мощностным к. п. д. турбины. Если потери полного давления во входной трубе компрессора учесть коэффициентом восстановления <твх, то же в нагнетательной трубе и камере сгорания отр, а влияние противодавления за турбиной учесть коэффициентом дт, пред­

ör

232

и коэффициента избытка воздуха а = 3 -4- 5 [1]). Тогда форму­ ла (158) примет вид

между расходами воздуха через компрессор и газа через тур­

В левом квадранте изображена зависимость некоторой услов­

По оси абсцисс правого квадранта отложена температура газа перед турбиной.

параметры газа и воздуха перед и за турбиной и компрессором и соотношение расходов газа через турбину и воздуха через компрессор. При расчете возможных режимов работы турбо­ компрессора важно правильно оценить потери в трубах, камере сгорания и дроссельных приборах.

При неудовлетворительном согласовании характеристик турбины и компрессора к. п. д. турбокомпрессора может ока­ заться невысок, даже при весьма высоких значениях макси­ мальных к. п. д. отдельных агрегатов. В частности, это может иметь место, если завышена пропускная способность турбины,

263

бавлять некоторое количество воздуха в камеру сгорания от постороннего источника. Это, с одной стороны, уменьшит расход воздуха через компрессор и сместит его рабочую точку в зону более высоких к. п. д., а, с другой стороны, увеличит отношение Gr/GKи, следовательно, мощность, развиваемую турбиной.

В случае занижения проходных сечений турбины работа турбокомпрессора на стенде может оказаться невозможной из-за попадания компрессора в помпаж. В частности, это явление может иметь место, если турбина рассчитана на работу на двигателе с большим противодавлением, а на стенде оно отсутствует. Обеспечить работу такого турбокомпрессора на расчетном режиме, т. е. с противодавлением, без дополнитель­ ного поджатия воздуха перед камерой сгорания практически не удается. Однако без противодавления за турбиной иногда удается добиться работы такого турбокомпрессора на стенде, если часть воздуха, нагнетаемого компрессором, выпускать в атмосферу. Приведенная па рис. 179 номограмма позволяет достаточно быстро оценить то количество воздуха, которое можно выпустить в атмосферу без чрезмерного повышения температуры газа.

264

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И АППАРАТУРА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

При газодинамических и прочностных испытаниях турбо­ компрессоров, а также отдельно турбин и компрессоров, необ­ ходимо измерять их параметры работы. Ниже приведены краткие сведения о применяемых приборах и методах измере­ ний, причем основное внимание обращается на их специфику применительно к использованию при испытаниях турбоком­ прессоров.

измерение частоты вращения. Для определения частоты вращения роторов турбокомпрессоров получили широкое рас­ пространение бесконтактные методы измерения. Достоинством этих .методов является отсутствие механической связи с ротором турбокомпрессора, высокая частота вращения которого делает ненадежным механическое соединение с датчиком частоты вра­ щения. При малых размерах роторов механический привод влияет на время его разгона п первоначальную балансировку.

возможное его изменение в процессе работы в связи с измене­ нием теплового состояния ротора и корпусов турбокомпрессора. Торец ротора выполнен таким образом, что при его вращении зазор между валом и сердечником индукционного преобразо­ вателя меняется, что вызывает изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, и в ней индуктируется пульсирую­ щий ток, частота которого равна или кратна частоте вращения ротора. Примеры выполнения торцов ротора и установки маг­ нитного преобразователя показаны на рис. 180.

В качестве прибора, регистрирующего частоту тока, возни­ кающего в катушке преобразователя, может быть использован электронный осциллограф, на клеммы которого подводится также переменная частота от звукового генератора (ЗГ).

Более удобны в качестве регистрирующих приборов тахо­ метры типа Т-2 (или ИЧ-7) и тахоскопы типа ПУ-4, используе­ мые для измерения скоростей вращения турбокомпрессоров. Тахометры Т-2 (ИЧ-7) обеспечивают точность измерения час­ тоты вращения 1,5%, а тахоскопы ПУ-4 0,2%.

Измерение расхода газа. Измерение расхода газа обычно производится дроссельными приборами (главным образом диафрагмами и соплами), устанавливаемыми в соответствии с «Правилами 28—64 по применению и проверке расходомеров с нормальными диафрагмами, соплами и трубами Вентури» Ко-

265

митета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР. Для определения расхода газа необходимо измерить его температуру и давление перед дроссельным прибо­ ром и перепад давлений до и после прибора.

При выборе типа дроссельного прибора следует иметь в виду, что изготовление диафрагмы проще и дешевле. Однако

делять расход при помощи диафрагмы со средней квадратич­ ной погрешностью, меньшей, чем ±1,5%. Кроме того, при оди­ наковом перепаде давлений, а следовательно, и одинаковой

Рис. 180. Магнитный преобразователь:

а — торцы; 6 — пример установки магнитного преобразователя

точности его отсчета нормальное сопло оказывает меньшее сопротивление потоку газа, что может оказаться решающим фактором при выборе типа прибора, в частности при испытани­ ях турбокомпрессоров по замкнутой схеме (см. выше).

Для измерения расхода воздуха получили также большое распространение специально спрофилированные входные коллекторы. Их преимущества заключаются в малом сопротив­

слоя позволяют установить следующую зависимость для опре­

266

Эта формула справедлива для ламинарного пограничного слоя, когда значения числа Рейнольдса находятся в пределах

Теоретический расход GTCOp при измеренном давлении р в цилиндрическом участке коллектора равен:

где Ap = pa — p — перепад давлений в коллекторе.

Выполнение профиля входного участка коллектора по лем­ нискате осуществляют по аналогии с устройствами, используе­ мыми для тарировки аэродинамических приборов. Это обеспечи­ вает равномерное иоле скоростей в цилиндрическом участке коллектора. Степень конфузорности коллектора, т. е. отношение

линдрического участка рекомендуется выбирать в пределах:

Lr — потери энергии в коллекторе.

По результатам продувки коллекторов одного типа величина коэффициента потерь £ = 0,016.

Измерение давлений. Полное давление измеряется специ­ альными пневмометрическими насадками, обычно многоточеч­ ными, статическое давление — на стенках канала или еще и в потоке, если имеется неравномерность статического давления в поперечном сечении канала. В качестве примера выполнения пятиточечного насадка, нечувствительного к углу набегания потока в диапазоне ±30°, пригодного для измерения полного давления в компрессорах, показан насадок на рис. 181.

267

на стенках следует обращать внимание на перпендикулярность оси измерительного отверстия, диаметр которого должен быть достаточно мал (не более 0,8— 1,0 мм), и отсутствие заусенцев

и фасок. Для измерения статического давления в потоке при­ меняют обычно специально оттарированные насадки или трубки Прандтля (рис. 183). Недостаток последних — большие осевые габаритные размеры приемной части.

Регистрация малых давлений обычно осуществляется Іі-об- разными манометрами с подкрашенной дистиллированной водой. При большом числе точек измерения манометры соеди­ няют в батареи, а для быстроты отсчета применяют фотографи­ рование. Погрешность измерения давления указанными мано­ метрами обычно считается равной ±2 мм столба залитой в них жидкости.

Для регистрации давления в небольшом количестве точек, в частности среднего, полного и статического давлений в трубах на входе в турбомашину и выходе из нее, применяют трубчатые образцовые манометры класса 0,35 или 0,4. При желании ис­ пользовать один манометр при замере давления в нескольких точках используют специальные переключатели давления.

268

Удобны в эксплуатации групповые регистрирующие мано­ метры ГРМ-2. Эти манометры имеют двадцать точек измерения и изготовляются на различные диапазоны измерения разреже­ ния, давления, разности давлений. Манометр ГРМ-2 имеет ви­ зуальную шкалу и печатающий механизм. Точность регистрации давления печатающим механизмом равна ±0,5%- Перед испы­ таниями производится проверка прибора путем сравнения по-

цового манометра. Кроме того, отбиваются значения при нуле­ вом давлении газа в трубах.

269

виду, что они могут искажать характер течения газа, особенно

тщательно, так как по результатам измерений повышения тем­ пературы воздуха в компрессоре часто судят о к. и. д. машины.

Температуру газа и воздуха измеряют обычно ртутными термометрами, электрическими термометрами сопротивления и термопарами. Ртутные термометры при правильной их установ­ ке обеспечивают точность измерений ±0,2°, однако весьма инер­ ционны, хрупки, ненадежны, боятся вибрации и, главное, не позволяют дистанционно выполнять измерения.

Требования к правильной установке термоприемников сво­ дятся к следующему:

термоприемник должен быть максимально погружен в среду, температура которой измеряется;

труба должна быть тщательно теплоизолирована так, чтобы температура корпуса термоприемника и трубы в месте изме­ рения была близка к температуре протекающего газа;

наружные части термоприемника также должны быть тщательно теплоизолированы или погружены в среду с темпе­ ратурой, близкой к температуре протекающего газа;

конструкция термоприемников должна позволять произво­ дить измерение температуры торможения; при этом должны быть известны коэффициенты восстановления термоприемников. В противном случае скорость потока газа, омывающего термо­ приемники, не должна превышать 40 м/с.

Измерение температуры при помощи термопар получило наибольшее распространение. При тщательной тарировке в термостате с термостатированием холодного спая и сопротив­ лением цепи, равным сопротивлению цепи при измерениях в процессе эксперимента, а также при использовании в качестве регистрирующих приборов высокоточных потенциометров, например типа КП-09 (класса 0,05) или других, измерение температуры при помощи термопар может быть выполнено с достаточной точностью (до ±0,5%).

При малых перепадах температуры применяют батареи диф­ ференциальных многоспайных термопар, холодные спаи кото­ рых помещают на входе в компрессор, а горячие— на выходе. Происходящее при этом увеличение термо-э. д. с. позволяет измерить ее с большой точностью.

Термометры сопротивления применяются реже, хотя с их помощью перепад температур в компрессоре может быть измерен с высокой точностью. При соединении их в мостовую схему последовательно-параллельно появляется возможность при хорошем осреднении показаний отдельных термометров уменьшить погрешность измерений. На входе в компрессор и на

270

выходе из него устанавливают по четыре эталонных платиновых термометра сопротивления, соединенных последовательнопараллельно между собой и собранных в мостовую схему. В качестве регистрирующего прибора используется безреохордный компенсатор типа КБ-1 «Теплоприбор» класса 0,5. Анализ погрешности при использовании описываемого метода измере­ ния показывает, что при окружной скорости колеса компрессо­ ра, равной 350 м/с, среднеквадратичная погрешность измерения повышения температуры составляет 0,13%.

МЕТОДИКА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИИ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

Задачей газодинамических испытаний является получение характеристик и отработка проточной части компрессора и турбины.

При газодинамических испытаниях с целью получения сопоставимых данных при различных условиях окружающей среды, а также для возможности сравнения результатов испы­ таний различных агрегатов необходимо соблюдение условий газодинамического подобия, которое для турбомашин выра­ жается в необходимости выдерживания одинаковыми критериев Рейнольдса (Re), Прандтля (Рг), Струхаля (Sh), Маха (М), а также показателя адиабаты k [9, 18, 36].

При этом основное значение при исследовании турбомашин имеют критерии Re и М.

Требование соблюдения подобия по числу М, учитывающему

р'оѴ к

ра заторможенного потока на входе в турбомашину.

В связи с этим при снятии характеристик компрессора полу­

Рт V'

271