Уточнение методов расчета характеристик устройств автоматического уравновешивания осевых сил центробежных машин

Ротор современной быстроходной центробежной машины как упругая система, вращающаяся с частотой до 40 тысяч оборотов в минуту. Причины возникновения осевой силы. ANSYS как самая распространенная многофункциональная система конечно-элементных расчетов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

ротор центробежный машина

В современных высоконапорных центробежных насосах суммарное осевое усилие, действующее на ротор, достигает десятков тонн. Поэтому актуальной является проблема разгрузки этой силы. Существует множество способов разгрузки ротора, таких как применение думмиса, изменение взаимного расположения рабочих колес и т. д.

В настоящее время применяются автоматические уравновешивающие устройства - гидравлические пяты. Они, как свидетельствует многолетний опыт эксплуатации, способны в течение длительного времени обеспечивать надежное уравновешивание осевой силы, причем в широком диапазоне её изменения. Гидропята выполняет одновременно функции упорного гидростатического подшипника и комбинированного концевого уплотнения с саморегулируемым зазором. Работа устройства основана на том, что осевая сила, раскрывающая торцовую пару, зависит от величины зазора.

В рабочих условиях разгрузочный диск испытывает нагрузки, обусловленные давлением рабочей среды. Это приводит к деформациям, нарушающим плоскостность торцовой поверхности. Изменение плоскостности сопровождается перераспределением гидравлического давления в торцовом зазоре гидропяты. В связи с этим изменяются статическая и расходная характеристики, и возникает проблема их уточнения с учетом деформации разгрузочного диска.

Для проектирования узла гидропяты необходимым является точный расчет динамики жидкости в торцовом канале. Последнее время этой проблеме уделяется достаточное внимание со стороны ученых. Но при этом практически неизученной остается проблема взаимовлияния деформации разгрузочного диска и гидродинамики торцового дросселя, связанная с тем, что деформации конструктивных элементов системы разгрузки осевой силы влияют на перераспределение давления по радиусу торцового дросселя. Над этой проблемой работают несколько научных школ. В работе проф. Марцинковского В.А. [1] рассмотрено напорное движение жидкости в торцовом канале с постоянным углом конусности с учетом членов первого порядка малости при интегрировании основных уравнений. В работе [2] исследованы статические характеристики основных конструкций гидропят. Но постоянно увеличивающиеся параметры центробежных машин нуждаются, в первую очередь, в более жестких требованиях к проектированию основных узлов. В том числе возникает задача выбора и более точного расчета [3] узла уравновешивания осевой силы. Труды проф. Ендрала В. [4] посвящены учету деформаций разгрузочного диска с постоянным углом наклона торцовой поверхности.

1.Уравновешивание осевых сил, действующих на ротор

1.1 Причина возникновения осевой силы

Проблема уравновешивания осевых сил, действующих на ротор центробежного насоса, становится более сложной и актуальной в связи с непрерывным ростом параметров.

Ротор современной быстроходной центробежной машины представляет упругую систему, вращающуюся с частотой до 40 тыс. оборотов в минуту и передающую (при сравнительно небольших размерах) мощность в десятки тысяч киловатт. При этом в уплотнениях и опорах ротор отделяется от статора тонкими слоями жидкости или газа, способными аккумулировать энергию и возбуждать автоколебания. При работе машины на ротор действует сложная система сил различной природы: силы инерции неуравновешенных масс, гидродинамические возмущения в каналах проточной части, в уплотнениях и опорах, осевые силы давления на диски рабочих колес.

Среди внешних сил, действующих на ротор, самой большой по абсолютному значению является осевая сила. Величина ее измеряется десятками или даже сотнями килоньютон (кН) и может меняться в широких пределах, а в некоторых случаях менять направление, поэтому система уравновешивания оказывается очень напряженной.

Осевая сила на центробежном колесе возникает из-за того, что площадь покрывного диска (рисунок 1.1), как правило, приходится делать меньшей, чем основного диска. В результате на колесо действует неуравновешенная сила, направленная в сторону входной воронки. Величина этой силы пропорциональна напору, развиваемому колесом, и разности площадей основного и покрывного дисков, и зависит от целого ряда факторов, что приводит к изменению ее значения на различных рабочих режимах. При выборе уравновешивающего устройства необходимо обеспечивать уравновешивание осевой силы на всем диапазоне ее изменения.

Рисунок 1.1 - Распределение давления на боковых поверхностях колеса

1.2 Методы устранения осевой неуравновешенности

Некоторые способы устранения осевой неуравновешенности ротора центробежного компрессора или насоса при положительной осевой силе схематически показаны на рисунке 1.2. Однако, в отдельных случаях в турбонасосных агрегатах возникает проблема уравновешивания осевой силы, направленной в сторону нагнетания, то есть отрицательной осевой силы, величина которой зависит от конкретной конструкции машины. В этом случае величина осевой силы задается как на номинальном режиме, так и на границах ее изменения.Такие силы можно уравновешивать автоматическим уравновешивающим устройством с двустонним торцовым дросселированием или обращенной гидропятой.

Для многоступенчатых насосов используется симметричное расположение колес (рисунок 1.2, г),что сопряжено с увеличением габаритов и потерь энергии в переводных каналах. В высоконапорных машинах такой способ уравновешивания применять нецелесообразно. Вообще, любые способы уменьшения осевой силы, как и любые способы ее уравновешивания, требуют определенных конструктивных усложнений и затрат мощности, поэтому в каждом конкретном случае для выбора оптимального решения необходимо тщательно анализировать различные варианты конструкций центробежных насосов и компрессоров с точки зрения как эффективности уравновешивания роторной системы, так и энергоемкости машины.[2]

Рисунок 1.2 - Способы компенсации осевой силы, действующей на ротор: а), б)- выравнивание давлений на обеих сторонах колеса одноступенчатого насоса; в)- колесо двустороннего входа; г)- симметричное расположение ("спина к спине") групп колес многоступенчатого насоса

Рисунок 1.3 - Статические характеристики уравновешивающих устройств: а)- обычная конструкция; б)- упорный подшипник; в)- разгрузочный поршень; г)- гидропята с элементом разгрузочного поршня

1.3 Обзор конструкций уравновешивающих устройств современных центробежных машин

1.3.1 Описание конструкции гидропяты

Рисунок 1.4 - Схема гидропяты

Данное разгрузочное устройство представляет собой систему автоматического регулирования [6], для которой осевое положение ротора- регулируемая величина, осевая сила на рабочем колесе Т и давления Р₁ и Р₃ - внешние воздействия, а ротор - объект регулирования. Если под действием избыточной осевой силы (внешней нагрузки Т) ротор смещается влево, то зазор x уменьшается, а давление Р₂ увеличивается, восстанавливая равенство силы Т, действующей на ротор, и уравновешивающей силы F, действующей на разгрузочный диск. Таким образом, давление в разгрузочных камерах (Р₂, Р₃), а следовательно, и осевая уравновешивающая сила автоматически следят за внешней осевой нагрузкой на колесе, вызывающей смещение ротора.

Гидропята содержит жестко закрепленный на валу разгрузочный диск 5, неподвижное опорное кольцо (подушку) 2, последовательно расположенные цилиндрический 1 и торцовый 3 дроссели и камеру 4, разделяющую эти дроссели. Полный перепад давления Р=Р₁-Р₄ на пяте представляет разность между давлением нагнетания Р₁ и давлением за гидропятой. Чаще всего эта камера соединена с входным патрубком насоса, тогда Р₄ - давление на входе. Часть общего перепада давления Р₂=Р₂-Р₃ дросселируется на торцовом дросселе 3, проводимость которого зависит от ширины зазора x, т. е. осевого положения ротора. Если под действием избыточной силы ротор смещается влево, то зазор х уменьшается, а давление Р₂ увеличивается, восстанавливая равенство силы Т, действующей на ротор, и уравновешивающей силы F, действующей на разгрузочный диск. Таким образом, гидропята автоматически поддерживает осевое равновесие ротора: Т=F. Так как осевая сила может быть положительной, знакопеременной и отрицательной, нужно использовать в качестве базовых три типа конструкций гидропят:

а) для положительной осевой силы - гидропята с дополнительным цилиндрическим дросселем и дроссельной шайбой;

Рисунок 1.5 - Гидропята с дополнительным цилиндрическим дросселем

Автоматическое уравновешивающее устройство (базовая конструкция) представляет собой жестко закрепленный на роторе 1 разгрузочный диск 2, образующий разгрузочный уступ 3, цилиндрические дроссели 4 и 8, разгрузочные камеры 5 и 6, торцовый дроссель 7 и дроссельную шайбу 9.

б) для знакопеременной осевой силы - гидропята с дополнительным торцовым дроселем:



Рисунок 1.6 - Гидропята с дополнительным торцовым дроселем - для отрицательной осевой силы - об...