2.3 Автоматическое уравновешивающее устройство с гидравлическим сопротивлением в обводной трубе

2.3.1 Конструкция уравновешивающего устройства

Температура перекачиваемой жидкости в камере гидропяты повышается по сравнению с температурой на входе в насос за счет энергии вязкого трения в дросселирующих зазорах и гидравлических потерь в проточной части насоса. В случае высокой температуры на входе, например в питательных насосах, температура в камере после торцового зазора может достичь критического значения, при котором давление в камере будет меньше соответствующего давления насыщенного пара. В результате в торцовом зазоре гидропяты может происходить парообразование, уменьшающее несущую способность гидропяты и увеличивающее опасность возникновения задиров в торцовом дросселе. Чтобы предотвратить парообразование, давление в камере после торцового зазора необходимо поддерживать более высоким, чем давление на входе в насос. Наиболее простым способом повышения давления в камере является изменение последовательности торцового и цилиндрического дросселей [ ].

Как показано в пункте 2.1, эффективность работы уравновешивающего устройства повышается при увеличении сопротивления цилиндрического дросселя. В конструкциях гидропяты с обратным расположением дросселей цилиндрический дроссель можно заменить гидравлическим сопротивлением в обводной трубе в виде канала малого диаметра (рис. 2.10). Преимуществом такого уравновешивающего устройства является возможность увеличения гидравлического сопротивления дросселирующего канала до любого требуемого значения, что позволяет повысить гидростатическую жесткость устройства и уменьшить объемные потери и осевой габарит насоса. Недостатком данного конструктивного решения является то, что концевое уплотнение ротора насоса будет находится под давлением, величина которого определяется осевым смещением ротора.

Рисунок 2.10 – Автоматическое уравновешивающее устройство

с гидравлическим сопротивлением в обводной трубе

2.3.2 Уравновешивающее устройство с регулируемым гидравлическим сопротивлением

Конструкция автоматического уравновешивающего устройства с гидравлическим сопротивлением в обводной трубе позволяет изменять его статическую характеристику в процессе эксплуатации, с помощью дросселя с регулируемым сопротивлением (рис. 2.11). Величина осевой силы, действующей на ротор, определяется приближенно. Расхождение между опытной и расчетной величиной может достигать 50%. Так как при расчете осевой силы пренебрегают течением жидкости через межступенные уплотнения, действующая сила обычно выше расчетной [ ]. Это приводит к тому, что уже в начале эксплуатации торцовый зазор в уравновешивающем устройстве оказывается ниже расчетного. Наличие регулируемого сопротивления позволяет изменить величину торцового зазора на номинальном режиме до расчетного значения. По мере износа межступенных уплотнений рабочих колес и увеличения осевой силы торцовый зазор в уравновешивающем устройстве на расчетном режиме работы уменьшается, что снижает надежность узла уравновешивания ротора. Уменьшение сопротивления дросселя в обводной трубе позволяет увеличить торцовый зазор до номинального значения за счет некоторого увеличения расхода жидкости через узел уравновешивающего устройства.

Рисунок 2.11 – Регулируемое гидравлическое сопротивление

Приведем зависимость статической характеристики автоматического уравновешивающего устройства от гидравлического сопротивления регулируемого дросселя, используя упрощенную математическую модель уравновешивающего устройства, аналогичную приведенной в пункте 2.1.

Условие осевого равновесия ротора имеет вид

, (2.19)

где – осевая сила, действующая на ротор,

– уравновешивающая сила, действующая на разгрузочный диск.

, (2.20)

где – давление в задней пазухе последней ступени насоса,

– давление в камере уравновешивающего устройства,

– эквивалентная площадь разгрузочного диска.

Разность давлений находится по значениям проводимостей дросселей узла разгрузки из уравнения баланса расходов

, (2.21)

где – проводимости торцового дросселя и регулятора соответственно,

– давление входа в насос.

Проводимость торцового дросселя зависит от осевого положения ротора и может быть выражена через проводимость на расчетном режиме и относительный торцовый зазор

. (2.22)

Проводимость регулятора можно представить в виде произведения базового и относительного безразмерного значения

. (2.23)

Если ввести соотношение базовой проводимости регулятора и проводимости торцового дросселя на расчетном режиме

, (2.24)

то с учетом (2.22 – 2.24) выражение (2.21) примет вид

. (2.25)

На расчетном режиме перепад давления на торцовом дросселе равен

. (2.26)

Эквивалентную площадь можно выразить из условия осевого равновесия ротора на расчетном режиме

. (2.27)

С учетом полученных выражений (2.25, 2.27) формула для уравновешивающей силы (2.20) примет вид

, (2.28)

или в безразмерном виде

. (2.29)

Выражение (2.29) представляет собой безразмерную статическую характеристику уравновешивающего устройства. Влияние относительной проводимости регулятора в обводной трубе на безразмерную статическую характеристику показано на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 – Влияние относительной проводимости регулятора в обводной трубе на статическую характеристику уравновешивающего устройства

Из полученной характеристики (рис. 2.12) следует, что увеличение проводимости регулируемого гидравлического сопротивления в обводной трубе позволяет увеличить уравновешивающую силу при номинальном значении торцового зазора. При этом безразмерная жесткость узла разгрузки уменьшается. Таким образом, при изменении осевой силы в процессе эксплуатации насоса рассмотренное устройство позволяет, изменив гидравлическое сопротивление, обеспечить требуемый номинальный торцовый зазор, как в случае его увеличения, так и уменьшения.

Зависимость уравновешивающей силы при расчетном зазоре от относительной проводимости регулятора приведена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 – Зависимость уравновешивающей силы при расчетном зазоре

от относительной проводимости регулятора

Из рис. 2.13 следует, что регулируемое гидравлическое сопротивление в обводной трубе позволяет изменять уравновешивающую силу при номинальном значении торцового зазора от нуля до максимально возможного значения.

Утечка жидкости через узел разгрузки определяется по формуле

. (2.30)

С учетом выражений (2.22 – 2.24) получим

. (2.31)

На расчетном режиме утечка жидкости равна

. (2.32)

Если выражение (2.32) разделить на расход при , получим зависимость расхода при расчетном зазоре от относительной проводимости регулятора, которая приведена на рисунке 2.14

. (2.33)

Рисунок 2.14 – Зависимость расхода при расчетном зазоре

от относительной проводимости регулятора

Из рис. 2.14 следует, что увеличение проводимости регулятора для увеличения уравновешивающей силы приводит к соответствующему росту утечки через узел разгрузки.