2.10. Расчет осевой силы, действующей на ротор насоса и разгрузочного устройства.
Суммарная
осевая сила
может быть найдена по выражению:
,
где
– абсолютная
скорость потока на входе в рабочее
колесо;
–
радиус
уплотнения рабочего колеса;
– радиус
втулочный;
– радиус
выхода потока из рабочего колеса;
– давление
потока на выходе из рабочего колеса;
– давление
потока на входе в рабочее колесо;
Осевая сила направлена в сторону, противоположную направлению движения потока на входе в рабочее колесо. Для многоступенчатого насоса:
,
где:
- число ступеней;
- осевая сила на одном рабочем колесе.
В случае износа уплотнения возникает
дополнительная осевая сила, которая
постепенно возрастает по мере износа
уплотнения. По рекомендации А. А. Ломакина
она может быть определена по следующей
формуле:
;
Износ
уплотнений приводит не только к увеличению
утечек и уменьшению КПД, но и к существенному
увеличению осевой силы (что может создать
аварийную ситуацию). Сила
,
так же как и
направлена в сторону, противоположную
движению потока на входе в рабочее
колесо.
Полная величина осевой силы, действующей на рабочее колесо насоса при максимально допустимом износе уплотнения равна:
,
где
-
коэффициент, учитывающий допустимый
износ уплотнения. Для многоступенчатого
насоса:
;
Так как осевая сила в центробежных насосах может достигать больших значений, то уравновешивание ее только лишь упорным подшипником является нерациональным из-за значительных габаритов. Поэтому в судовых насосах нашли широкое применение гидравлические способы разгрузки ротора. Они основываются на принципе симметричного распределения давления по поверхности колеса и на использовании специальных гидравлических систем. Наиболее часто используются следующие способы разгрузки от осевых сил:
- применение колес с двусторонним подводом жидкости;
- применение радиальных накладок;
- применение уплотнения на ведущем диске колеса;
- применение радиальных ребер;
- применение разгрузочных отверстий.
Перечисленные способы характерны для одноступенчатых насосов. Для многоступенчатых насосов могут быть рекомендованы следующие способы:
- использование встречного расположения колес;
- использование разгрузочного диска;
- использование разгрузочного поршня и др.
Рассмотрим методику расчета разгрузочного диска (которая разработана А. А. Ломакиным). Задача проектирования гидравлических уравновешивающих устройств заключается в выборе конструктивных пара метров, обеспечивающих надежную и экономичную работу устройств Порядок расчета следующий.
По
известному давлению на выходе и» рабочего
колеса последней ступени и известной
геометрии гидравлической пяты определяют
и
в функции осевого зазора
(см. рис.17).
Перепад давлений определяется из условий равенства осевого усилия, действующего на рабочие колеса, и усилия, действующего на диск:
;
В то же время – перепад, срабатываемый при расходе жидкости по торцевому зазору .
Для надежного действия системы разгрузки необходимо:
;
Коэффициент определяется исходя из документации, что давление в камере А постоянное, а вдоль осевого зазора меняется по линейному закону. Его можно определить из следующей зависимости:
,
где
– коэффициент,
учитывающий падение давления на входе
в осевой зазор.
Приемлемость полученного значения при выбранных размерах разгрузочного диска и зазора определяется величиной расхода в системе разгрузки:
,
где
-
коэффициент
расхода,
определяемый по формуле:
,
где
– коэффициент
гидравлического трения.
В
то же время, поскольку жидкость проходит
через канал
вдоль вала, то
,
где
;
Давление
можно определить
из зависимости:
; 
;
;
Допустим,
что разность
,
то
;
Зная,
что
можно вычислить длину
,
выразив ее через коэффициент
:
;
Если величины расхода и зазора имеют приемлемые значения (расход составляет 5% от расчётной подачи), то расчет закончен. Если одна из величин не устраивает проектанта, то, меняя геометрию системы разгрузки, он делает второе приближение и т. д.
Рис. 17