2.4 Основные результаты 2-й главы
Получена зависимость статической характеристики гидропяты и её гидростатической жесткости от соотношения проводимостей цилиндрического и торцового дросселей на расчетном режиме работы насоса. Из полученных результатов следует, что гидростатическая жесткость автоматического уравновешивающего устройства возрастает при уменьшении проводимости радиальной щели по отношению к проводимости торцовой на номинальном режиме работы. Определено влияние геометрических параметров гидропяты на утечку жидкости через узел разгрузки. Объемные потери жидкости на номинальном режиме работы автоматического уравновешивающего устройства прямо пропорциональны проводимости цилиндрического дросселя и гидростатической жесткости в степени 0,5. Таким образом, для повышения надежности и эффективности работы автоматического уравновешивающего устройства необходимо уменьшение проводимости радиальной щели, то есть увеличение гидравлического сопротивления. Это возможно только за счет значительного увеличения длины цилиндрического дросселя, что не технологично. Более рациональным будет его замена уплотнением другого типа, которое может обеспечить постоянное заданное сопротивление в гидравлическом тракте автоматического уравновешивающего устройства.
Приведен анализ предложенных способов повышения эффективности работы узла осевого уравновешивания ротора, их преимущества и недостатки:
1) Применение в системе осевого уравновешивания торцового гидростатического уплотнения вместо цилиндрического дросселя;
2) Применение гидравлического сопротивления в виде канала круглого сечения вместо цилиндрического дросселя;
3) Регулирование статической характеристики автоматического уравновешивающего устройства в процессе эксплуатации насоса с помощью дросселя с изменяемым сопротивлением в обводной трубе.
Рассмотрены конструкции эффективных уравновешивающих устройств. Предложенные конструктивные решения систем осевого уравновешивания ротора позволят поднять КПД многоступенчатых насосов на 1 – 2% за счет снижения объемных потерь мощности, при этом узел разгрузки будет обладать достаточной гидростатической жесткостью, что обеспечит повышение его надежности и надежности насоса в целом.
Рассмотренные способы осевого уравновешивания и эффективные конструктивные решения уравновешивающих устройств на их основе приведены на рисунке 2.15.
Рисунок 2.15 – Способы осевого уравновешивания
ротора центробежного насоса
3 Исследования гидростатического уплотнения узла осевого уравновешивания
3.1 Теоретическая часть
Схема гидростатического уплотнения узла осевой разгрузки ротора и основные условные обозначения приведены на рисунке 3.1. Уплотнение образовано аксиально подвижным самоустанавливающимся кольцом 1, установленным в корпус 4, и торцовой поверхностью основного диска рабочего колеса 6, вращающегося вместе с валом 5. Резиновое уплотнительное кольцо 2 предотвращает утечку жидкости между корпусом и самоустанавливающимся кольцом. Пружина 3 закрывает зазор в случае отсутствия уплотняемого перепада давления, обеспечивая тем самым нормальный пуск уплотнения в работу.
Рисунок 3.1 – Торцовое гидростатическое уплотнение
Работа гидростатического
уплотнения основана на обеспечении
осевого равновесия аксиально подвижного
кольца в заданном положении силами
давления уплотняемой жидкости. Основной
особенностью уплотнения является
зависимость силы давления в торцовой
щели от ширины зазора. При гидростатическом
уравновешивании кольца сила давления
в зазоре растет при уменьшении зазора
и наоборот. Изменение силы происходит
вследствие изменения соотношения
гидравлических сопротивлений узкого
и широкого участков торцовой щели. При
уменьшении зазора меньше номинального
значения гидравлическое сопротивление
участка
–
растет быстрее, чем участка
–
.
Это приводит к перераспределению эпюры
давления: на широком участке зазора
потери давления уменьшаются, а на узком
растут, то есть эпюра давления наполняется
и сила давления в щели возрастает. Рост
силы давления возвращает кольцо в
положение равновесия. При раскрытии
зазора больше номинального значения
происходит наоборот. Таким образом,
слой жидкости, разделяющий пару трения
в уплотнении, обладает гидростатической
жесткостью. Раскрытие торцового зазора
при пуске уплотнения обеспечивается
условием
<
.
В отличие от гидродинамических уплотнений,
зазор в гидростатическом уплотнении
мало зависит от скорости вращения колец
относительно друг друга и величины
уплотняемого давления [ ].
Расчет уплотнения сводится к построению статических характеристик, представляющих собой зависимость установившегося зазора и расхода от внешних воздействий. Кроме того, также определяются статическая и динамическая жесткости, и производится оценка устойчивости [ ]. При расчете гидростатических уплотнений обычно предполагают ламинарный режим течения, линейное распределение давления в торцовом зазоре и пренебрегают силами инерции жидкости [ ]. Методика расчета гидростатических уплотнений приведена в работах [ ].
Согласно [ ], при течении жидкости от периферии к центру уплотнения (со ступенчатым или сужающимся зазором) силы инерции уменьшают гидростатическую жесткость слоя жидкости. Вследствие этого, при проектировании уплотнения необходимо уделить внимание определению геометрии зазора, обеспечивающей максимальную жесткость.
Особенностью работы гидростатического уплотнения в узле осевой разгрузки является расход жидкости, на порядок превышающий обычную протечку собственно уплотнений. Вследствие этого основным отличием методики статического расчета гидростатического уплотнения, входящего в конструкцию уравновешивающего устройства будет турбулентный режим течения жидкости в торцовом зазоре и высокие значения местных гидравлических потерь, которые необходимо учесть. Поэтому для расчета уплотнения применена одномерная модель течения жидкости в подвижной системе координат, подробно рассмотренная в 4 главе.
Статический расчет уплотнения основан на решении уравнения осевого равновесия кольца с учетом уравнения расхода жидкости. При выводе уравнений сделаны следующие предположения: режим течения – турбулентный, автомодельная область, слой жидкости в зазоре вращается со средней угловой скоростью, равной половине угловой скорости вращения ротора.
Уравнение движения жидкости через уплотнение имеет вид
, (3.1)
где
– уплотняемое давление и давление за
уплотнением соответственно,
– удельный вес
жидкости,
– угловая скорость вращения ротора,
– ускорение
свободного падения,
– скорость жидкости
на выходе из зазора,
– коэффициент
гидравлического сопротивления уплотнения.
, (3.2)
где
– коэффициенты местных гидравлических
сопротивлений на входе, ступеньке и
выходе,
– коэффициент
гидравлического трения в торцовом
зазоре.
Из (3.1) с учетом (3.2) получим скорость жидкости на выходе из зазора
. (3.3)
Утечка жидкости через уплотнение равна
, (3.4)
где
– проводимость уплотнения.
По известному
расходу жидкости
из уравнения (3.1) можно получить
распределение давления в зазоре:
на участке с зазором
, (3.5)
на участке с зазором
. (3.6)
Уравнение осевого равновесия кольца будет иметь вид
, (3.7)
где
– сила, действующая на уплотнение со
стороны пружины,
– сила, действующая
на уплотнение со стороны резинового
уплотнительного кольца.
Проинтегрировав, получим уравнение осевого равновесия
. (3.8)
Пример статических характеристик гидростатического уплотнения, полученных по приведенным выше формулам (3.4 – 3.6, 3.8) приведен на рисунках 3.2 – 3.4.
Рисунок 3.2 – Зависимость торцового зазора и утечки
от уплотняемого давления
Рисунок 3.3 – Зависимость осевой силы давления,
действующей на кольцо, от ширины торцового зазора
Из рис. 3.2 следует, что торцовый зазор уплотнения практически не изменяется в широком диапазоне уплотняемого давления, за исключением области около нулевого давления, в которой происходит раскрытие зазора. На рис. 3.3 представлена зависимость гидростатической силы давления на аксиально подвижное кольцо уплотнения от ширины зазора.
Рисунок 3.4 – Распределение давления в торцовом зазоре
На рис. 3.4 приведены эпюры давления, иллюстрирующие принцип работы гидростатического уплотнения со ступенчатым зазором.
Из уравнения осевого равновесия кольца при расчете уплотнения можно определить только один замыкающий геометрический параметр, предварительно задав значения остальных. Внутренний радиус уплотнения обычно определяется конструктивными особенностями узла разгрузки. Как следует из рис. 3.4, для обеспечения максимальной жесткости слоя жидкости в зазоре (максимальное изменение площади эпюры давления) необходимо свести к минимуму длину участка – . Раскрытие торцового зазора при пуске уплотнения обеспечивается условием < . Таким образом, уравнение равновесия рационально решать относительно внешнего радиуса уплотнения, задаваясь значением номинального торцового зазора и шириной ступеньки. Номинальный торцовый зазор определяется в основном необходимым значением утечки жидкости для обеспечения нормального функционирования узла разгрузки. В данном типе уплотнений его минимальное значение составляет 5 мкм.