Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
5fan_ru_Эффективные способы осевого уравновешив...doc
Скачиваний:
12
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

1.4 Особенности гидравлического расчета автоматического уравновешивающего устройства (гидропяты)

1.4.1 Статический расчет

Целью статического расчета является выбор значения основных геометрических параметров таким образом, чтобы обеспечивалось нормальное функционирование устройства. Для этого необходимо, чтобы в заданном диапазоне изменения осевой силы торцовый зазор и расход не выходили за допустимые пределы [ ]. При проектировании гидропяты стремятся свести к минимуму объемные потери, не допустив чрезмерного уменьшения торцового зазора в процессе работы. Для удовлетворения этих требований необходимо, чтобы статическая характеристика, представляющая собой зависимость уравновешивающей силы от торцового зазора, обладала достаточной крутизной [ ]. Существует несколько способов расчета системы гидравлического уравновешивания осевой силы, которые отличаются как учетом различных факторов, влияющих на работу устройства, так и самим алгоритмом расчета [ ]. Обычно расчет сводится к построению статической и расходной характеристик для проверки полученного результата [ ].

Наиболее простой и удобной в использовании является инженерная методика расчета гидропяты, приведенная в [ ]. В методике приняты следующие упрощения: пренебрегаются местные гидравлические потери на входе и выходе из торцового зазора, а также окружное движение жидкости, давление предполагается линейно распределенным по разгрузочному диску.

Статическая характеристика находится из условия осевого равновесия ротора

, (1.13)

где сила давления, действующая на разгрузочный диск гидропяты, определяется по формуле

. (1.14)

представляет собой эквивалентную площадь разгрузочного диска, учитывающую, что давление на участке от до изменяется по линейному закону от до

. (1.15)

Давление в камере гидропяты определяется из уравнения баланса расходов

. (1.16)

Выразив расходы через проводимости и перепады давления, получим

, (1.17)

, (1.18)

где проводимости определяются следующим образом

. (1.19)

Проводимость цилиндрического дросселя постоянна, а торцового зависит от ширины зазора и может быть представлена в виде

, (1.20)

где , , а индекс 0 означает базовое значение.

Введя обозначение и безразмерное давление , приведем (1.18) к следующему виду

. (1.21)

Из (1.14) и (1.21) получим безразмерную уравновешивающую силу разгрузочного диска

, (1.22)

где , .

Из (1.13) с учетом (1.22) найдем безразмерную статическую характеристику гидропяты

. (1.23)

Выражение для уравновешивающей силы давления (1.22) можно рассматривать как регулирующее воздействие, при этом коэффициент статической жесткости системы автоматического регулирования торцового зазора равен

. (1.24)

Безразмерный расход через систему осевого уравновешивания ротора можно вычислить по одной из формул (1.17), используя выражения для давления в камере (1.21) и торцового зазора (1.23), введя базовый расход ,

. (1.25)

Подробно алгоритм статического расчета гидропяты рассмотрен в [ ].

1.4.2 Динамический расчет

При эксплуатации центробежных насосов с автоматическим уравновешиванием могут наблюдаться повышенные осевые вибрации ротора, которые можно объяснить либо резонансами в системе ротор – авторазгрузка, либо самовозбуждающимися колебаниями из-за потери системой динамической устойчивости. Так как повышенный уровень вибрации ротора может привести к усталостным поломкам или задирам рабочей торцовой поверхности гидропяты и, соответственно, к отказу насоса, то вычисление динамических характеристик системы уравновешивания и проверка её на устойчивость имеют важное значение для обеспечения надежности центробежной машины [ ].

При выполнении анализа динамики автоматического уравновешивающего устройства обычно исследуются осевые колебания ротора с гидропятой, как системы с сосредоточенными параметрами, относительно положения статического равновесия, для которого соответствующие установившиеся значения давлений, торцового зазора и расхода определяются формулами статического расчета [ ].

Динамика системы ротор – авторазгрузка описывается двумя дифференциальными уравнениями: уравнение движения ротора в осевом направлении и уравнение баланса расходов, описывающее гидродинамические процессы дросселирования рабочей жидкости [ ]. Уравнения имеют следующий вид

, (1.26)

где – сила давления, действующая на разгрузочный диск,

– расход через цилиндрический дроссель,

– расход через торцовый дроссель,

– расход вытеснения,

– расход на сжатие.

Анализ динамического состояния системы авторазгрузки проводится по линеаризованным уравнениям в области малых отклонений от положения статического равновесия [ ]

. (1.27)

После перехода к безразмерному виду путем линейной подстановки , , , система уравнений (1.27) приводится к принятой в теории автоматического регулирования символической записи [ ]

, (1.28)

где коэффициенты равны , , , , , .

Передаточная функция замкнутой системы автоматического осевого уравновешивания ротора имеет вид

, (1.29)

а соответствующее ей дифференциальное уравнение –

. (1.30)

Характеристическое уравнение системы будет выглядеть следующим образом

, (1.31)

где , , , .

Проверка системы на устойчивость наиболее удобно выполнять с помощью алгебраического критерия Гурвица. Для данной системы условие устойчивости имеет вид

. (1.32)

Помимо проверки на устойчивость, критерий Гурвица позволяет проводить анализ влияния различных параметров на динамику системы путем построения так называемых областей устойчивости [ ].

При осевых колебаниях ротора течение жидкости в дросселирующих каналах становится нестационарным. Анализ динамики гидропяты с учетом влияния ускорения (инерции) жидкости в дросселирующих каналах приведен в работе [ ]. В реальных условиях изгибные колебания ротора вызывают периодические перекосы разгрузочного диска, сопровождающиеся изменениями давлений в камерах гидропяты и, следовательно, изменениями уравновешивающей силы. В результате изгибные колебания ротора возбуждают угловые и осевые колебания диска гидропяты, жестко связанного с ротором. Динамика гидропяты с учетом связи угловых и осевых колебаний рассматривается в работах [ ].

1.4.3 Применение программ вычислительной гидродинамики для моделирования течения жидкости в цилиндрических и торцовых дросселирующих каналах

Основным источником вибрации в насосе является неуравновешенный ротор, поэтому для анализа и прогнозирования вибрационного состояния необходимы, прежде всего, расчеты динамики ротора. Сложность этих расчетов обусловлена тем, что колебания ротора в значительной мере определяются упругими, демпфирующими и инерционными свойствами турбулентной жидкости, дросселируемой в щелевых уплотнениях. От учета силовых факторов в большой мере зависят динамические характеристики роторов гидромашин: критические частоты вращения, амплитуды вынужденных колебаний, границы динамической устойчивости. Рассчитывая гидродинамические силы в щелевых уплотнениях, необходимо учитывать турбулентные свойства дросселируемой жидкости, что существенно усложняет решение задачи динамики ротора. Решение подобных задач возможно с использованием специальных программных продуктов и специальных ЭВМ, реализующих эффективные алгоритмы параллельных вычислений [ ].

В работах [ ] описано численное моделирование течения трехмерного тонкого турбулентного слоя жидкости в дросселирующих каналах автоматических уравновешивающих устройств питательных насосов. Выполнено сравнение различных моделей турбулентности, основываясь на результатах, полученных при экспериментальном исследовании течения жидкости в торцовом дросселе. Схема экспериментальной установки, на которой проводились исследования, приведена на рис. 1.11. Измерение параметров жидкости (давление в различных точках, расход, температура) и линейных перемещений диска по осям X, Y, Z осуществляется специальной аппаратурой с автоматической записью и обработкой на ЭВМ. Расчеты проводились с использованием пакета программ ANSYS CFX 11.0 на кластерах Infinity и «СКИФ Урал» ЮУрГУ для различных моделей турбулентного потока: модель нулевого уровня (модель Прандтля), модели второго уровня – и , модели рейнольдсова осреднения BSL и SSG.

Рисунок 1.11 – Схема установки и модельного ротора

для исследования течения жидкости в торцовом дросселе

Результаты расчета сравнивались с данными эксперимента (рис. 1.12) на модельном роторе. Из полученных результатов следует, что модель Прандтля и модель Рейнольдса SSG дают большую ошибку при сравнении с данными эксперимента. Модели второго порядка и очень точно описывают результаты опыта, ошибка не превышает 3–5%.

На основе результатов, полученных для модельного ротора, гидродинамические расчеты для натурных щелей уравновешивающих устройств рекомендуется проводить с использованием модели. Для питательного насоса СВПТ 350-850 опубликованы уникальные результаты промышленных испытаний – измерения давлений в камере перед разгрузочным диском, определены зависимости радиального зазора в зависимости от частоты вращения ротора и давления на выходе насоса. Поэтому результаты расчета для этого насоса могут быть проверены по данным промышленных испытаний [ ]. При сравнении полученных данных (рис. 1.13) с данными промышленного эксперимента, можно сказать, что использование пакета ANSYS CFX позволяет достаточно точно описывать течение турбулентной жидкости в пространственных щелях уравновешивающих устройств питательных насосов [ ].

Рисунок 1.12 – Распределение давления по длине щели,

полученное для различных моделей турбулентности

Рисунок 1.13 – Падение давления в радиальной щели

уравновешивающего устройства СВПТ 350-850