книги / Методы исследования центробежных компрессорных машин
..pdfкретной задачи исследования. Однако, если конкретная исследо вательская задача должна быть решена в сжатые сроки, не сле дует при создании стенда идти на непроверенные инженерные решения. Опыт показывает, что зачастую при нарушении этога правила время, необходимое для исследования, тратится на до водку установки.
Во избежание попадания в проточную часть загрязненноговоздуха и посторонних предметов стенд должен быть оборудован фильтровальным устройством на входе. В электрической и мас ляной системах стенда должны быть предусмотрены автоматичес кие блокировки аварийных режимов работы установки.
В масляной системе стенда в целях сокращения времени вывода ходовой части установки на установившийся режим целесообразна предусмотреть систему предварительного подогрева масла.
До начала проектирования стенда необходимо ясно представ лять конкретную задачу эксперимента и сформулировать про грамму и метод проведения исследования.
4 2 . С т е н д ы с о т к р ы т ы м к о н т у р о м
Широкое распространение для проведения испытаний на воз духе получили благодаря своей простоте и относительной деше визне стенды с открытым контуром. Накоплен большой опыт па созданию и эксплуатации этих стендов. Рассмотрим устройство некоторых из них.
Стенд ЭЦК-3 лаборатории компрессоростроения ЛПИ им. Ка линина [14] предназначен для исследования крупномасштаб ных моделей ступеней и секций ц. к. в широком диапазоне изме нения числа оборотов по измерениям в абсолютном и относительном движении при окружных скоростях до 400 м/сек. По своей мощно сти (порядка 600 кет) и оснащенности измерительной и реги стрирующей аппаратурой стенд представляет собой уникальную* установку.
Стенд ЭЦК-3 (рис. 117) состоит из ходовой части, включающей подшипники экспериментальной модели и мультипликатор с пере даточным отношением i = 5,8, электропривода, масляной системы, воздухопроводов и нескольких вариантов сменных проточных частей ц. к.
Оборудование стенда смонтировано в специальном помещении площадью 72 ж2, разделенном звукоизолирующей капитальной стеной на машинный зал и камеру наблюдателей. В стене имеются герметическая звуконепроницаемая дверь и два окна для наблю дения за работой стенда. В машинном зале установлены ходовая часть стенда с экспериментальной моделью, приводной электро двигатель, мотор-генератор и большая часть вспомогательного оборудования системы электропривода, часть системы воздуха-
проводов, масляная система. В камере наблюдателей расположены пульт управления электроприводом и другое оборудование элек тросистемы, а также регистрирующие приборы измерительных -систем и приборы управления. Камера воздухофильтра и шумо глушитель находятся вне помещения.
Рис. 117. Схема экспериментального стенда ЭЦК-3 ЛПИ им. М. И. Калинина для исследования крупномасштабных ступеней и секций ц. к.:
/ —экспериментальная модель; 2, 3 —соответственно всасывающий и нагнетатель ный трубопроводы; 4 —заслонка; 5 —подшипники модели; 6 —мультипликатор; 7 — приводной двигатель постоянного тока; 8 —камера наблюдателей; 9 —пьезометриче ский щит; 10 —мотор-генераторная установка; 11 —пульт управления; 12 —глуши тель; 13 —камера фильтров
Масляная система стенда (рис. 118) состоит из главного и пу скового маслонасосов, маслобака со встроенным сетчатым филь тром, двух трубчатых маслоохладителей и маслопроводов с пре дохранительным и обратным клапанами. Контроль за темпера турой и давлением масла производится с помощью термопар и манометров.
Система воздухопроводов обеспечивает всасывание и выхлоп вне помещения стенда. Воздух из камеры фильтров, расположен
ной в специальной пристройке, проходит через сетчатый фильтр и поступает во всасывающую трубу модели. Фильтр образован двумя наклонно установленными рамами 2220x 1045 мм, в каж-
Рис. 118. Масляная система стенда ЭЦК-3:
1 —масляный бак; 2 —пусковой маслонасос; 3 —перепускной вентиль; 4 —масло охладители; 5 —обратный клапан; 6—реле пуска; 7 —передатчик давления; 8—под шипники модели; 9, 12 —зубчатые муфты; 10 —главный маслонасос; 11 —редуктор
дой из которых установлено восемь легко вынимающихся сетча тых элементов. Элемент представляет собой прямоугольную метал лическую рамку, закрытую набором из двенадцати гофрированных сеток с размером ячеек от 1,5 до 0,3 мм. Фильтр смазывается висциновым маслом.
Из нагнетательного трубопровода воздух через дроссельную заслонку поступает в глушитель, представляющий собой распо ложенный вне помещения стальной трубопровод квадратного се чения 800x800x1000 мм. Между сплошной наружной и сетча той внутренней стенками глушителя набита капроновая пряжа. Толщина звукоизоляции около 50 мм. Всасывающий и нагнета тельный трубопроводы покрыты слоем теплоизоляции.
Система электропривода стенда работает по схеме генератор— двигатель. В качестве приводного двигателя используется балан
|
сирная |
машина |
постоянного |
|||||
|
тока типа МПБ-55/34. При |
|||||||
|
мощности |
600 |
кет |
двига |
||||
|
тель |
развивает |
скорость до |
|||||
|
3000 об/мин; при этом на при |
|||||||
|
водном валу эксперименталь |
|||||||
|
ной |
модели |
получим |
более |
||||
|
17 000 об/мин. Система |
элек |
||||||
|
тропривода |
позволяет |
полу |
|||||
|
чить |
постоянство |
скоросги |
|||||
|
вращения вала электродвига |
|||||||
|
теля вне зависимости от на |
|||||||
Рис. 119. Схема устройства для поворота |
грузки |
и |
плавное |
измене |
||||
ние |
его |
числа оборотов |
от О |
|||||
задней стенки диффузора |
||||||||
|
до 3000. |
|
|
|
|
|
Мотор-генератор расположен в одном зале с эксперименталь ной моделью, что повышает уровень шума в машинном зале и за трудняет работу обслуживающего персонала.
Ходовая часть собственно экспериментальной модели пред ставляет собой корпус опорного и опорно-упорного подшипников, в которых вращается вал. На конце вала консольно устанавли ваются одно или два модельных колеса. Корпус модели крепится на корпус подшипников с помощью фланца. При такой системе на стенд могут быть легко установлены экспериментальные про точные части самой разнообразной формы.
При исследовании потока в лопаточных диффузорах часто тре буется измерение различных параметров потока в нескольких точках по окружности в пределах одного канала. Обычно разме щение нескольких приборов в этом случае затруднено, поэтому желательно в конструкции стенда предусмотреть устройство для поворота передней или задней стенок диффузора. На передней стенке обычно располагаются измерительные приборы, на задней — закреплены лопатки. Конструкция устройства для поворота задней стенки л. д., применяемая на стенде ЭЦК-3, изображена на рис. 119. Недостаток такой конструкции — трудность фиксации задней стенки.
Консольный ротор характерен для большинства эксперимен тальных моделей. Это упрощает их конструкцию, так как осевая
сборка делаег ненужным горизонтальный разъем. Кроме того, в большинстве случаев необходимо осуществить осесимметричный подвод воздуха к колесу модели, что затруднительно сделать при расположении ротора между опорами.
На рис. 120 приведена схема проточной части стенда ЭЦК-1 лаборатории компрессоростроения ЛПИ. Стенд небольшой мощ ности имеет осевое всасывание из помещения и выхлоп обратно через осесимметричный диффузор, установленный за о. н. а. При модернизации стенда за этим диффузором были установлены сбор
ная камера |
большого объема и нагнетательный трубопровод. |
Это значительно снизило шум во время работы стенда. |
|
На рис. |
121 приведена схема проточной части стенда, харак |
терная для некоторых установок НЗЛ, ЦКТИ и других органи заций.
Здесь колесо обращено в сторону корпуса подшипников, поэтому всасывание осуществляется через осесимметричный конфузор, а нагнетание — через осевую трубу, в которой установлены устройства для измерения производительности.
Преимущество схемы, данной на рис. 120, в равномерности потока во всасывающей трубе, облегчающей точное измерение про изводительности и доступность передней стенки диффузора для проведения измерений в сечениях 2, 4 и промежуточных. У моде лей по схеме рис. 121 легче производить измерения в о. н. а. Кроме того, колесо в этом случае может быть расположено значительно ближе к подшипникам.
При испытании моделей ступеней и секций ц. к. с уменьшен ными размерами сохранить полное геометрическое подобие прак тически невозможно. Это связано, в частности, и со сложностью выполнения достаточно малых радиальных зазоров в лабиринтных уплотнениях. Для сохранения величины этих зазоров, обеспечи вающих соблюдение геометрического подобия, можно использо вать специальные демпферные опоры. Применение таких опор уменьшает вибрации ротора и исключает смятие усиков лабиринт ных уплотнений при любом числе оборотов, включая крити ческие.
На рис. 122 схематически изображена конструкция демпфер ной опоры, разработанная в СКВ по компрессоростроению (г. Ка зань) В. Б. Шнеппом. Обойма 1 устанавливается в корпусе под шипника в сухарях 2 с регулировочными прокладками 6. Между чередующимися выступами 4 и 5 подшипника и обоймы зажата рессорная втулка 5, состоящая, как и обойма с подшипником, из двух половин. Камеры а заполнены маслом, подаваемым на смазку подшипника под давлением 0,4—0,8 кГ1см2, и сообщаются между собой дроссельными щелями б. Для предотвращения выте кания масла из камер к обойме крепится крышка 7, не препят ствующая радиальным перемещениям подшипника и рессорной втулки.
ю
От
05
-vl
5
СП
Галеркин
А-А Подернуто
Рис. 121. Про точная часть стенда с кольце
вым |
всасыва |
Рис. 122. Упруго-демпферная опора с гори |
to |
нием |
зонтальным разъемом |
СП |
|
|
При вибрации ротора происходит изменение объемов камер а и масло, попеременно выдавливаясь через дроссельные щели, создает сопротивление перемещению подшипника. Этим и дости гается необходимый демпфирующий эффект.
4 3 . С т е н д ы с з а м к н у т ы м к о н т у р о м
В течение последних лет наблюдается резкий рост использо вания центробежных компрессоров в химической, нефтяной и га зовой промышленности.
Значительно расширилась область работы этих машин. Созданы компрессоры с давлением на всасывании, меняющимся в пределах от высокого вакуума до десятков кГ/см2, и сдавлением нагнетания до сотен атмосфер. Сжимаемые газы имеют резко отличные физи ческие свойства. Значения k колеблются в пределах 1,1— 1,66, а молекулярные веса — от 4 до 180. Во время испытаний нельзя рассматривать такие машины как простые воздушные компрессоры.
На рис. 123 дано схематическое изображение установки для испытания ц. к. на стенде с замкнутым контуром. Трубопровод с направляющими лопатками образует замкнутую петлю, соеди няющую нагнетание компрессора со всасыванием. Основными элементами установки являются модельный компрессор, газоохладитель, дроссельная заслонка, сужающее устройство для измере ния расхода газа, устройства для измерения давлений и темпера тур. Элементы установки, не входящие в схему замкнутого контура, включают в себя дополнительный компрессор и ресиверы, необходимые для нагнетания газа в систему. Ниже приводятся некоторые положения, которыми необходимо руководствоваться при расчете, проектировании и работе на стендах с замкнутым контуром [119].
Замкнутые контуры обеспечивают большую гибкость регули рования давления и температуры на входе в компрессор, чем стенды с открытым контуром. Регулирование этих переменных может быть очень точным, постоянство давлений и температур достигается быстрее, и как следствие, получается меньше нежелательных отклонений от расчетных условий. В результате повышается точ ность опытов и расширяются возможности экспериментаторов при применении замкнутых схем, так как разомкнутая схема позволяет использовать только одно рабочее тело—воздух атмо сферы.
При испытаниях по замкнутой схеме объем системы может быть мал. Например, полный объем системы, используемой для испыта ния компрессора мощностью 4000 кет с давлением на входе около 150 кГ/см2, меньше 4 м3. Уменьшение объема замкнутого контура особенно важно при применении редких дорогостоящих газов.
У замкнутой схемы имеются и другие ценные преимущества, например возможность применять метод измерения мощности, подводимой к компрессору, по тепловому балансу газоохладителя.
Рис. 123. Схема стенда с замкнутым контуром для экс периментального исследования ц. к.:
1 —модельный |
ком |
|
прессор; |
2 —газо- |
|
охладитель; 3 —дрос |
||
сельная |
заслонка; |
|
4 —направляющие |
||
лопатки; 5 —сужаю |
||
щее устройство; |
6 — |
|
дренажная |
труба; |
|
7 —емкость с указа |
||
телем уровня; |
8 — |
|
вентили для измене |
||
ния количества |
газа |
в системе; 9 —водя ной насос; 10—сопло Вентури
f
Холодная
вода
С
4
-Ь<]—
Применение стендов с замкнутым контуром позволяет иссле довать компрессор при расчетных нагрузках, давлениях и темпе ратурах, проверять уплотнения вала, устранять утечки при реальных условиях эксплуатации компрессора и определять их величину. Так как газ практически не теряется, целесообразно определять характеристики компрессора, применяя среду с физи ческими свойствами, на которые и была рассчитана машина.
Если нет возможности по тем или иным причинам использо вать при испытаниях рабочий газ, то может быть рекомендовано применение газа-заменителя. В идеале газ-заменитель должен обладать теми же физическими свойствами, что и газ, комприми руемый в процессе эксплуатации компрессора. В работах [108, 119] приводятся некоторые сведения о допустимых расхождениях в физических свойствах между газами-заменителями и рабочими газами. Иногда газ-заменитель составляется из нескольких ком понентов. В некоторых случаях, при пренебрежении сжимаемостью моделирующей средой может явиться вода.
Желательно, чтобы газ-заменитель обладал малой агрессив ностью, был нетоксичен, невзрывоопасен, недефицитен и недорог. Свойства газов, которые могут быть рекомендованы для работы на замкнутом контуре, в частности, при исследовании влияния k и R , приведены в приложении 15.
Необходимые размеры замкнутого |
контура выбираются в за |
|
висимости от |
размеров соединительных патрубков компрессора |
|
и от длины |
труб, необходимых для |
установки газоохладителя |
и мерного сопла, в соответствии с правилами измерения произво дительности. Диаметры труб должны соответствовать диаметрам патрубков компрессора. Толщина стенок труб должна быть доста точной, чтобы выдерживать рабочие давления.
Сопротивление системы не может превышать существующее повышение давления компрессора при любом режиме, при кото ром проводятся испытания. Поверхность теплообменника должна быть такова, чтобы он справлялся с максимальной тепловой нагруз кой, когда разница температур газа и охлаждающей воды мини мальна.
Необходимо отметить, что для ц. к. максимальный расход и максимальная мощность приблизительно совпадают с минималь ными повышениями давления и температуры и что хорошая работа стенда с замкнутым контуром во многом зависит от величины потерь давления в контуре и эффективности газоохладителя.
Замкнутую схему труднее проектировать и дороже создать для компрессоров с малым повышением давления, когда существуют ограничения падения давления в газоохладителе. В этом случае следует иметь сравнительно большие диаметры соединительных трубопроводов, а конструкция газоохладителей должна обеспе чивать минимальные потери давления. Для этой цели могут использоваться пластинчатые теплообменники. Более дешевыми