Испытания компрессоров

Основной задачей при испытаниях компрессоров является определение их характеристик в широком диапазоне изменения определяющих параметров - приведенных значений частоты вращения и расхода воздуха. Большое внимание при этом также уделяется исследованию устойчивости компрессоров при различных пространственных и временных возмущениях потока на входе, характерных для воздухозаборников, а также вызванных условиями эксплуатации двигателя. При автономных испытаниях исследуются также прочностные характеристики элементов компрессора, главными из которых являются уровни напряжений и частоты колебаний лопаток.

Стенды для испытаний компрессоров могут быть следующих типов:

а) открытые стенды с всасыванием воздуха из атмосферы:

б) стенды с подачей воздуха от воздушно-компрессорной станции при различных значениях температуры и давления;

в) стенды с замкнутым контуром.

Открытые стенды являются самыми простыми. Схема такого стенда представлена на рис. 8.3. Испытуемый компрессор 3 приводится во вращение электродвигателем 7 через мультипликатор 6. Воздух поступает к компрессору из атмосферы через патрубок 1 с профилированным входом и ресивер 2, в котором может размещаться система шумоглушения, а также имитаторы воздухозаборника, обеспечивающие заданное поле скоростей потока на входе. Из компрессора воздух поступает в

Рис. 8.3. Схема открытого стенда для испытаний компрессоров:

1 - входной патрубок; 2 - ресивер; 3 - компрессор; 4 - дроссель; 5 - сборник; 6 - мультипликатор; 7 - электродвигатель

сборник 5 и затем выбрасывается в атмосферу. Кресельная заслонка 4 предназначена для изменения расхода воздуха.

На открытом стенде температура и давление воздуха на входе определяются атмосферными условиями. Поэтому изменение приведенных частот вращения здесь возможно только путем изменения в широких пределах физических частот вращения. Это позволяет исследовать характеристики компрессора, но на ряде режимов значения n могут заметно отличаться от реализуемых в эксплуатации, что может приводить к искажениям уровней напряжений, частот колебаний и деформации лопаток (в частности, к изменению углов их установки).

Значительные отличия будут наблюдаться в уровнях давлений и, следовательно, в числах Re по сравнению со значениями, соответствующими полетам на больших высотах и при полетах с большими скоростями.

Устранить эти недостатки можно при. установке компрессора, в термобарокамере и при подаче воздуха к нему от воздушно-компрессорной станции. В случае, если давление на выходе из компрессора должно быть ниже атмосферного, для отсоса воздуха необходимо применять эксгаустер

Испытания компрессоров при различных значениях температуры и давления при входе можно производить на стендах с замкнутым контуром (рис. 8.4). Компрессор помешается в барокамеру 5, которая включена в замкнутый контур так, что прокачиваемый компрессором воздух (или другой газ) циркулирует по контуру без выброса в атмосферу. Для поддержания заданной температуры и давления на входе в компрессор предназначены газоохладитель 7 и дроссель 6. Перед началом работы давление воздуха в контуре может быть снижено (имитация больших высот) из-за вакуумирования или повышено (имитация больших скоростей полета) путем заполнения контура от газобаллонной станции. Как указывалось выше, контур может быть заполнен и другими газами.

Стенды для испытаний компрессоров оснащаются достаточно мощным энергетическим оборудованием (электродвигатели мощностью несколько мегаватт с регулируемой частотой вращения, турбовальные двигатели, паровые и газовые турбины).

При снятии характеристик компрессора необходимо определять расход воздуха G_в, степень повышения давления p*_к=р*_к/*_в и КПД h*_к=L*_кS/L_к (внутренний изоэнтропический КПД). Здесь изоэнтропическая работа сжатия по параметрам торможения; L_к - действительная работа компрессора.

Рис. 8.4. Схема стенда МАИ для испытаний компрессоров в замкнутом контуре:

1 - электродвигатель; 2 - балансирный подвес; 3 - комплексный (радиальноупорный) промежуточный подшипник; 4 – газосборник;
5 - барокамера для установки компрессоров; 6 - дроссель;
7 - газоохладитель; 8 - газобаллонная станция; 9 - вакуумный насос

Расход воздуха измеряется, как правило, с помощью спрофилированного по лемнискате мерного коллектора 1, установленного на входе (см. рис. 8.3). Возможно применение стандартных сопл и диафрагм.

Для измерения параметров потока на входе и выходе из компрессора устанавливаются гребенки термопар и приемников полного давления. Статические давления измеряются чаще всего путем дренирования корпуса в нескольких местах по окружности.

Действительная работа компрессора L_к может определяться по измеренным значениям температуры торможения L_к=с_рТ*_к-с_рТ*_в или (что более точно) по величине мощности N_к, затрачиваемой на вращение компрессора L_к=N_к/G_в.

Значение N_к определяется по результатам измерения частоты вращения n и крутящего момента М_кр: N_к=pnМ_крh_m/30.

Здесь h_m - механический КПД трансмиссии (мультипликатор, промежуточные подшипники и т.д.). Для измерения значений М_кр применяются балансирные подвесы электродвигателей или мультипликаторов, а также торсиометры (см. гл. 2).

При исследовании газодинамической устойчивости компрессора измеряются поля полных и статических давлений на входе, а также пульсации давлений или скорости по его проточной части. О потере устойчивости течения (возникновении помпажа) свидетельствует резкое увеличение амплитуды пульсаций. Граница устойчивости определяется по параметрам режима, ближайшего к режимам, на которых проявляется неустойчивость. Для определения прочностных характеристик производится тензометрирование лопаток и дисков.

Обычно снятие характеристик компрессора осуществляется следующим образом. Устанавливается некоторая частота вращения n (или n_пр при поддержании n=const производятся измерения при различных значениях G_в, величина которого изменяется дросселем 4 (см. рис. 8.3).

Затем такие же измерения выполняются при других значениях n. Полученные таким образом напорные ветви образуют поле характеристик, которое сверху ограничено линией границы устойчивости течения (линия помпажа), а снизу - линией запирания по расходу.

Испытания турбин

При автономных испытаниях турбин основными задачами является получение их характеристик в широком диапазоне изменения определяющих параметров, а также исследование прочности и теплового состояния лопаток и дисков.

Реализация на автономном стенде рабочих условий турбин является весьма сложной проблемой. Воздух к таким стендам (рис. 8.5) подается от компрессорной станции по трубопроводу 3, подогрев газа осуществляется в камере сгорания 4. Мощность турбины поглощается гидротормозом 1 (возможно применение для этих целей электрических генераторов и компрессоров). В отличие от испытаний в системе двигателя, когда характеристика турбины может быть получена практически только вдоль линии рабочих режимов (см. гл. 5), на автономном стенде реализуется все поле характеристик, так как в этом случае можно задавать любые значения параметров на входе, а частоту вращения турбины регулировать загрузкой гидротормоза.

При имитации земных режимов работы двигателя или режимов, соответствующих большим скоростям полета, значения давления газа перед турбиной и за ней будут превышать атмосферные и после выхода из турбины газ может выбрасываться в атмосферу (работа с наддувом в открытом контуре).

Рис. 8.5. Схема стенда для испытаний турбин в натурных условиях:

1 - гидротормоз; 2 - подвод воды; 3 - подвод сжатого воздуха: 4 - камера сгорания; 5 - турбина; 6 - выхлопной трубопровод

Работа с наддувом отличается наибольшими техническими трудностями, так как требует больших затрат энергии для привода компрессоров и тормозных устройств большой мощности.

Для испытаний турбины в условиях, близких к высотным, предназначены стенды, работающие на просасывание. Схема такого стенда представлена на рис. 8.6. Воздух в проточную часть стенда поступает непосредственно из атмосферы через входное устройство 1, за турбиной создается разрежение с помощью эксгаустера или эжектора. Мощность турбины 4 поглощается гидротормозом 3. Испытания могут проводиться как при повышенных, так и при пониженных температурах на входе. Режимы испытаний выбираются с учетом положений теории подобия, рассмотренных выше.

Испытания на просасывание могут рассматриваться как модельные для режимов, на которых давление на входе в турбину должно быть больше атмосферного. Получаемые при этом характеристики будут достаточно хорошо соответствовать натурным условиям, если числа Re находятся в автомодельной области.

Испытания при пониженных давлениях и температурах позволяют существенно снизить затраты энергии на привод эксгаустера и уменьшить потребную мощность гидротормоза, что значительно упрощает проведение испытаний.

В еще большей степени отмеченные трудности устраняются, если использовать уменьшенные в два-три раза модели, а также специальные рабочие тела. В последнем случае испытания должны проводиться в замкнутом контуре аналогично тому, как это было рассмотрено для компрессоров (см. разд. 8.2).

При определении характеристик турбин выполняются измерения расхода газа G_г, параметров потока перед турбиной и за ней Т*_г, Т*_т, р*_г, р*_т, частоты вращения n, мощности, развиваемой турбиной, N_т, а также угла выхода потока из турбины a_т. Применяются такие же методы измерений, как при испытаниях компрессоров. В частности, значение N_т определяется, как правило, по измеренным значениям n и крутящего момента М_кр, причем для измерения последнего используются гидротормоза с качающейся установкой корпуса (см. гл. 4).

Для построения характеристик турбины применяются параметры, вытекающие из теории подобия. В частности, они могут быть представлены в виде зависимостей

Рис. 8.6. Схема стенда для испытаний турбин на просасывание:

1 – входное устройство; 2 - подогреватель воздуха; 3 – гидротормоз; 4 - турбина; 5 - регулирующая заслонка; 6 - воздуховод к эксгаустеру или эжектору

Здесь p*_т=р*_г/р*_т - степень понижения давления в турбине; - относительная приведенная частота вращения; - относительный параметр расхода газа через турбину; h*_т=L_т/L*_тS - КПД турбины; L_т=N_т/G_т - действительная работа турбины; - изоэнтропическая работа турбины.

При определении характеристик заданное значение n поддерживается путем изменения загрузки гидротормоза, а изменение G_г и p*_т призводится путем изменения режима работы эксгаустера или компрессора и положения дросселя.