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.
Аннотация к работе
ротор центробежный машина В современных высоконапорных центробежных насосах суммарное осевое усилие, действующее на ротор, достигает десятков тонн. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Практика показывает, что наиболее эффективными являются системы автоматического уравновешивания осевых сил, поэтому теория их должна основываться на общей теории автоматического регулирования, которая позволяет едиными методами анализировать различные конструкции гидропят. 2.Гидродинамика торцового дросселя 2.1 Ламинарный режим течения Рисунок 2.1- Схема гидропяты Запишем систему уравнений Навье-Стокса в цилиндрической системе координат: Примем следующие допущения, без которых решение не представляется возможным: -жидкость несжимаема; -течение установившееся, напорное, ламинарное; -массовые силы, а также осевой