ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЙ И СКОРОСТЕЙ ЗА РАБОЧИМ КОЛЕСОМ СТУПЕНИ КОНЦЕВОГО ТИПА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

При совпадении частоты возмущающей аэродинамической силы с одной из собственных частот колебаний какого-либо элемента рабочего колеса (РК) (например, межлопаточного отсека диска РК) возникает резонансный режим [1]. Последний приводит к увеличению амплитуды колебаний элементов конструкции РК и, соответственно, к опасным динамическим напряжениям и усталостным разрушениям. С повышением давления рабочей среды динамические нагрузки возрастают [2; 3].

Целью работы является экспериментальное изучение спектра частот колебаний скоростей и давлений в зоне за РК на, где колебания этих параметров наиболее заметны.

В рамках поставленной задачи были исследованы две концевые ступени с безлопаточным диффузором (БЛД) и кольцевой камерой (КК), имеющие, соответственно, угол лопатки на выходе из РК, относительную ширину РК и,, используемые в реальных конструкциях центробежных компрессоров (ЦК) высокого давления.

Измерение пульсаций скорости в потоке проводилось за РК на термоанемометрическим методом. Использована система измерений, разработанная в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева [4; 5]. Она включает в себя проволочный датчик (диаметр нити 5мкм), термоанемометр DISA55M, линеаризатор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), программный пакет расчета переменной скорости и гармонического анализа путем разложения в ряд Фурье полученных сигналов. Использована частота опроса системы 2,5кГц. Измерения выполнены при положениях чувствительного элемента датчика в точках и b3=2 мм от передней стенки. Схема измерений пульсаций скорости в потоке за РК приведена на рисунке 1.

Измерение пульсаций статического давления проводилось также за РК на относительном радиусе датчиком давления тензометрического типа, расположенного в коротком импульсном канале на передней стенке. Система измерений пульсаций статического давления, разработанная в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа", включает в себя датчик давления с диаметром приемной мембраны 3,5мм, блок питания, усилитель, АЦП и программный пакет, позволяющий проводить гармонический анализ полученных сигналов. Гармонический анализ пульсаций давлений выполнялся с частотой опроса 5кГц. Схема измерений пульсаций статического давления на передней стенке приведена на рисунке 2.

Рассмотрим результаты исследования спектра частот пульсационной скорости за РК, равной разнице между истинной и средней скоростями. В этом случае разложение периодической функции в ряд Фурье примет вид [6]

Таким образом, в результате измерений и гармонического анализа быстроменяющихся скоростей в потоке и давлений на стенке за РК выявлены частоты и номера гармоник k, равные целым числам, соответствующие максимальным амплитудам колебаний скоростей и давлений за РК.

Следует отметить, что измеренные с помощью термоанемометра скорости в потоке за РК с частотой опроса 2,5Гц и базовой частоте вращения РК f0=182Гц выявляют номера гармоник k=15, соответствующих максимальным амплитудам колебаний скорости, но не выявляют частоты, кратные числу лопаток РК z2, создающих после себя течение "струя – след". Однако, как показали измерения, снижение базовой частоты вращения до f0=82,6Гц позволяет выявить k=z2.

Гармонический анализ переменных давлений и скоростей за РК показал также наличие номеров гармоник, не кратных частоте вращения, т.е. субгармоник, что связано с наличием зон обратных течений около стенок БЛД сразу после РК, вращающихся, как известно, с меньшей угловой скоростью, чем скорость РК.

Максимальные амплитуды колебаний давлений около исследованных РК в области имеют место при значениях k=15 и при k=z2. Они и должны использоваться для данных ступеней в частотном анализе для определения резонансных режимов работы РК уже на стадии проектирования.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004