2.2 Конструкции уравновешивающих устройств на основе гидростатического уплотнения

2.2.1 Основные преимущества гидростатического уплотнения

Гидростатическое уплотнение представляет собой бесконтактное торцовое уплотнение с саморегулируемым зазором. Существует несколько типов конструкции гидростатического уплотнения. Варианты конструкции, которые технологически целесообразно применять в конструкции узла осевой разгрузки, приведены на рисунке 2.5.

а) б)

а) – со ступенчатым зазором; б) – с капиллярными дросселями

Рисунок 2.5 – Гидростатические уплотнения

Принцип работы уплотнения основан на зависимости силы давления в торцовой щели от ширины зазора [ ]. В уплотнении со ступенчатым зазором (рис. 2.5, а) при уменьшении зазора гидравлическое сопротивление торцовой щели увеличивается, что приводит к уменьшению расхода. Это, в свою очередь, уменьшает потери давления на широком участке щели и, соответственно, увеличивает на узком. Эпюра давления наполняется и возросшая сила давления возвращает кольцо в положение равновесия. В уплотнении с капиллярными дросселями (рис. 2.5, б) снижение расхода при уменьшении торцового зазора приводит к уменьшению падения давления в капилляре и, соответственно, увеличению давления в камере уплотнения, что увеличивает силу давления. Зазор в гидростатическом уплотнении практически не зависит от величины уплотняемого давления и частоты вращения ротора, что позволяет использовать его в качестве дросселя с постоянной проводимостью (взамен радиального щелевого уплотнения). При этом минимальная величина зазора в радиальном щелевом уплотнении составляет порядка 0,2 мм, а торцовое гидростатическое уплотнение может работать с гарантированным зазором начиная от 0,005 мм [ ], то есть с его помощью можно обеспечить значительное повышение сопротивления в гидравлическом тракте уравновешивающего устройства. Как показано выше, увеличение гидравлического сопротивления дросселя с постоянной проводимостью повышает гидростатическую жесткость уравновешивающего устройства и уменьшает величину объемных потерь. Кроме того, гидростатическое уплотнение имеет значительно меньший размер в осевом направлении, по сравнению с цилиндрическим дросселем, что позволяет создавать более компактные уравновешивающие устройства. Так как торцовые поверхности уплотнения разделены слоем жидкости, то они практически не изнашиваются и не требуют применения при изготовлении дорогостоящих антифрикционных материалов [ ]. Таким образом, применение в системе осевого уравновешивания гидростатического уплотнения позволяет повысить надежность и экономичность уравновешивающих устройств.

2.2.2 Уравновешивание осевой силы на расчетном режиме работы

Схема уравновешивания осевой силы приведена на рисунке 2.6. Ротор 1 уравновешивается путем дросселирования давления в задней пазухе (последней) ступени насоса с помощью аксиально подвижного самоустанавливающегося кольца 4, которое вместе с торцовой поверхностью рабочего колеса 5 образует гидростатическое уплотнение. Кольцо поджимается пружиной 3, которая закрывает зазор при останове насоса. Жидкость из камеры под уплотнением отводится обводной трубой 2 во входной патрубок насоса, или, в случае одноступенчатого насоса, с помощью разгрузочных отверстий в основном диске рабочего колеса, соединяющих камеру с входной воронкой. Таким образом, в камере поддерживается давление, равное давлению на входе в насос, что обеспечивает полное отсутствие осевой силы в случае одноступенчатого насоса. В многоступенчатом насосе при данном способе уравновешивания на последнюю ступень на расчетном режиме работы действует уравновешивающая сила давления, равная осевой силе, действующей на остальные ступени, и противоположная ей по направлению, что обеспечивает равновесие ротора. При изменении режима работы насоса величина осевой силы по отношению к уравновешивающей изменяется. Остаточная неуравновешенная осевая сила воспринимается упорным подшипником двустороннего действия.

Рисунок 2.6 – Уравновешивание осевой силы на расчетном режиме работы

Преимущества данного способа разгрузки перед симметричными щелевыми уплотнениями ступени или разгрузочным барабаном, которые также уравновешивают ротор на расчетном режиме работы, следующие:

1) Значительно снижаются объемные потери, что обеспечивает повышение КПД в одноступенчатых насосах до 5%, а в многоступенчатых до 2%;

2) Самоустанавливающееся кольцо имеет гораздо меньшие габаритные размеры (особенно осевой) по сравнению с разгрузочным барабаном.

2.2.3 Автоматическое уравновешивание осевой силы

Для уравновешивания осевой силы на всех режимах работы насоса рассмотренное выше конструктивное решение уравновешивающего устройства (рис. 2.6) необходимо дополнить регулятором давления, обеспечивающим переменное гидравлическое сопротивление между камерой и обводной трубой, зависящее от осевого положения ротора. Эту функцию выполняет дополнительный торцовый дроссель, образованный диском, перемещающимся вместе с ротором, и подпятником, жестко связанным с корпусом ступени. Схема данного уравновешивающего устройства приведена на рисунке 2.7. При увеличении осевой силы ротор смещается в сторону всасывания, увеличивая торцовый зазор переменного дросселя и уменьшая давление в камере, что приводит к увеличению уравновешивающей силы и восстановлению равновесия ротора. При уменьшении осевой силы ротор смещается в противоположную сторону, закрывая торцовый зазор и увеличивая давление в камере, что уменьшает уравновешивающую силу. При этом зазор в гидростатическом уплотнении, образованным рабочим колесом и самоустанавливающимся кольцом, практически не изменяется, обеспечивая постоянное гидравлическое сопротивление.

Рисунок 2.7 – Автоматическое уравновешивающее устройство

без разгрузочного диска

Подобный способ уравновешивания ротора применяется в турбонасосных агрегатах авиационных двигателей [ ]. В такой конструкции автоматического уравновешивающего устройства функцию разгрузочного диска гидропяты фактически выполняет рабочее колесо последней ступени, что значительно уменьшает осевой габарит насоса. Применение рассмотренного конструктивного решения уравновешивающего устройства позволяет повысить КПД насоса на 1 – 2% за счет снижения объемных потерь. Недостатком данной конструкции является достаточно низкая гидростатическая жесткость, по сравнению с другими автоматическими уравновешивающими устройствами. Однако, в отличие от гидропяты, при увеличении осевой силы зазор в переменном торцовом дросселе рассматриваемого уравновешивающего устройства увеличивается, что делает эту конструкцию более надежной.

Недостаток рассмотренного конструктивного решения, связанный с низкой жесткостью уравновешивающего устройства, устраняется заменой переменного торцового дросселя торцовой парой, образованной разгрузочным диском, аналогичным диску гидропяты, и подпятником (рис. 2.8). В этом случае основная часть уравновешивающей силы действует на разгрузочный диск, а гидростатическое уплотнение выполняет функцию постоянного гидравлического сопротивления. Давление в камере узла разгрузки регулируется осевым смещением ротора, которое изменяет торцовый зазор между диском и подпятником. Увеличивая значение сопротивления в дросселе с постоянной проводимостью можно, как показано в пункте 2.1, обеспечить увеличение гидростатической жесткости разгрузочного устройства за счет увеличения эффективной площади диска и снижения утечек через узел разгрузки. Таким образом, предложенное конструктивное решение позволяет значительно повысить эффективность работы узла осевого уравновешивания. Применение рассмотренного уравновешивающего устройства увеличивает КПД насоса на 1 – 2% за счет снижения объемных потерь.

Рисунок 2.8 – Автоматическое уравновешивающее устройство

с разгрузочным диском

2.2.4 Конструктивное решение узла разгрузки с дросселирующим каналом между задней пазухой ступени насоса и камерой

Недостатком применения гидростатического уплотнения в качестве дросселя с постоянной проводимостью является возможность отклонения величины торцового зазора на номинальном режиме работы уплотнения от расчетного значения, что в свою очередь вызывает изменение торцового зазора между диском и подпятником. На величину отклонения влияют различные факторы, такие как степень износа торцовой поверхности уплотнения, состояние упругого элемента и резинового уплотнительного кольца. Эти недостатки отсутствуют у дросселя в виде цилиндрического канала, проводимость которого, в основном, зависит от площади поперечного сечения и обеспечивается с произвольной точностью. Торцовое уплотнение в таком конструктивном решении узла разгрузки (рис. 2.9) выполняет функцию герметичного разделения задней пазухи ступени насоса и камеры узла разгрузки, поэтому рассчитывается на работу с минимальным торцовым зазором, обеспечивающим капельную протечку для сохранения режима жидкостного трения в торцовой паре уплотнения. Характеристики и принцип работы данного конструктивного решения полностью аналогичны характеристикам конструктивного решения, изображенного на рисунке 2.8.

Рисунок 2.9 – Автоматическое уравновешивающее устройство с дросселирующим каналом