Динамика функционирования газозатворного импульсного торцового уплотнения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Кузнецов, Эдуард Геннадьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Курск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Кузнецов Эдуард Геннадьевич
Динамика функционирования газозатворного импульсного торцового уплотнения
01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
005061579
1 ? ¿013
Курск-2013
005061579
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Савин Леонид Алексеевич
Официальные оппоненты: Белоусов Анатолий Иванович
доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Самарский государственный аэрокосмический университета имени академика С. П. Королева, профессор кафедры «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов»
Иванов Андрей Владимирович
кандидат технических наук, Открытое акционерное общество «Конструкторское Бюро Химавтоматики», главный конструктор направления (г. Воронеж)
Ведущая организация: Открытое акционерное общество
«ГМС Насосы» (г. Ливны, Орловская обл.)
Защита состоится 25 июня 2013 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.
Автореферат разослан « ЛЬ »мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.01
Лушников Борис Владимирович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. По данным зарубежных авторов, до 50% от общего количества выбросов в атмосферу вредных веществ происходит вследствие утечек через уплотнения штоков запорной арматуры и уплотнения валов машин, перекачивающих химически активные, токсичные, взрывопожароопасные среды. В связи с этим требования к надежности и герметичности уплотнений валов машин, которые эксплуатируются в химической, атомной и нефтеперерабатывающей промышленности, с каждым годом ужесточаются.
С конца ХХ-го века в центробежных насосах химической промышленности вместо двойных уплотнений на жидкостной смазке все чаще стали использовать бесконтактные торцовые уплотнения на газовой смазке, в которых для создания несущего газового слоя в торцовом зазоре используются газодинамические спиральные микроканавки. Опыт применения в насосах торцовых уплотнений на газовой смазке свидетельствует, что это новшество позволяет существенно увеличить межремонтный пробег гидромашины, исключить попадание в окружающую среду перекачиваемого продукта и затворной жидкости, повысить экономичность насоса за счет снижения потерь мощности на трение в уплотнениях, исключить затраты на дорогостоящие затворные жидкости (антифриз, метанол и др.), практически исключить загрязнение перекачиваемого продукта затворной средой. Использование газа в качестве затворной среды даёт возможность упростить систему её подачи, применять уплотнения в широком диапазоне температур (перекачивание расплавов, криогенная техника и т.п.) и самое главное — значительно увеличить ресурс (примерно в пять раз по сравнению с уплотнениями на жидкостной смазке).
Наряду с перечисленными'преимуществами современные торцовые уплотнения газодинамического типа обладают рядом недостатков, которые препятствуют их широкому внедрению. Прежде всего, это высокая стоимость уплотнений, обусловленная сложностью изготовления профилированных колец пар трения, повышенная чувствительность к точности изготовления спиральных канавок глубиной 0,002...0,005 мм, неработоспособность при попадании в затворный газ жидкости или твердых малоразмерных включений.
Имеется новое техническое решение - конструкция газозатворного импульсного торцового уплотнения (ГзИТУ), содержащего одну пару уплотнительных колец и выполняющего функции двойного уплотнения. Конструкция лишена недостатков, присущих газодинамическим уплотнениям, и вместе с тем имеет такие же высокие эксплуатационные характеристики. В отличие от традиционных импульсных торцовых уплотнений, известных более 30 лет и успешно использующихся в насосах ТЭЦ и АЭС, газозатворные импульсные уплотнения практически не изучены. В связи с этим экспериментальные и теоретические исследования процессов, происходящих в торцовой щели газозатворного импульсного уплотнения, изучение влияние геометрических параметров колец на рабочие характеристики уплотнения, а также создание методики расчета таких уплотнений являются очень важной и актуальной задачей уплотнительной техники.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» в рамках ГРАНТа РФФИ проект № 09-08-99020 и в рамках федеральной целевой программы Министерства образования РФ № 14.740.11.0030.
Цель и задачи исследования. Цель работы - совершенствование газозатворного импульсного торцового уплотнения путём исследования рабочего процесса и анализа динамических характеристик.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Провести обзор и анализ патентной и научно-технической информации в области схем герметизации валов центробежных машин с запиранием утечки уплотняемой среды затворным газом и методов их расчёта.
2. Создать физическую и динамическую модели рабочего процесса в газозатворном импульсном торцовом уплотнении и провести численные исследования характеристик уплотнения.
3. Сформировать условия устойчивости бесконтактного режима работы уплотнения в виде требований к геометрическим характеристикам элементов уплотнения.
4. Создать стендовое оборудование и систему измерения рабочих параметров уплотнения, с помощью которых изучить влияние геометрических характеристик элементов уплотнения и эксплуатационных параметров на его рабочий процесс, а также определить возможности повышения эффективности функционирования уплотнения.
5. Разработать математическую модель рабочего процесса, учитывающую влияние конструктивных и геометрических параметров уплотнения на распределение давления запирающего газа в торцовом зазоре и определить диапазон гарантированного запирания утечки уплотняемой среды через уплотнение.
Объект исследования - газозатворное импульсное торцовое уплотнение.
Предмет исследования - рабочий процесс газозатворного импульсного торцового уплотнения и его динамические характеристики.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнялось с использованием расчетно-аналитического метода и метода физического моделирования рабочего процесса ГзИТУ на экспериментальном стенде.
Расчетно-аналитическая часть диссертации базируется на современных методах механики сплошной среды. В основу математической модели заложены закон сохранения вещества (баланс массовых расходов затворного газа) и условие равновесия тела (уплотнительного кольца) под действием приложенных сил. Моделирование поля давления в торцовом зазоре выполнялось на основе законов и зависимостей теории смазки с использованием численного метода граничных элементов. Адекватность разработанной математической модели ГзИТУ обусловлена применением фундаментальных положений гидро- и газомеханики, систематическим сопоставлением получаемых результатов с известными публикациями.
Физический эксперимент, как составная часть проведенного исследования, включал в себя определение расходных характеристик уплотнения и исследование распределения давления затворного газа в торцовом зазоре в области расположения камер и питающих каналов для заданных параметров работы уплотнения (частота вращения ротора, давления затворного газа и уплотняемой среды). Достоверность полученных экспериментальных результатов обусловлена многократным повторением экспериментов, тестированием измерительной аппаратуры перед каждым экспериментом, визуализацией происходящих процессов, а также удовлетворительной погрешностью измерения физических параметров.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
- разработана и реализована математическая модель динамики функционирования газозатворного импульсного торцового уплотнения, основанная на совместном решении уравнений движения аксиально-подвижного торцового кольца и баланса расходов затворного газа через рабочий зазор, позволяющая определять условия устойчивости, амплитудно- и фазочастотные характеристики уплотнения;
- сформировано условие устойчивости бесконтактного режима функционирования уплотнения с использованием критерия Гурвица;
- экспериментально выявлено и теоретически обосновано влияние количества камер и питающих каналов на эффективность работы уплотнения. Доказано, что
выбором числа камер и каналов можно задать чувствительность уплотнения к изменению эксплуатационных параметров, а также диапазон гарантированного затворного функционирования;
- разработана математическая модель рабочего процесса, основанная на совместном решении уравнения состояния, баланса расходов и уравнении Рейнольдса, которая позволяет определять поле давления затворного газа в торцовом зазоре, саму величину торцового зазора, расход затворного газа и статическую жёсткость уплотнения.
Практическое значение полученных результатов:
- создана инженерная методика расчета параметров импульсного газозатворного уплотнения, позволяющая проектировать новые ГзИТУ, удовлетворяющие требуемым рабочим характеристикам (расход затворного газа, давление затворного газа в зазоре, величина торцового зазора);
- разработан алгоритм и создана система компьютерного моделирования, позволяющая проводить численные исследования распределения давления газа в зазоре ГзИТУ, не прибегая к натурным экспериментам;
- разработано оригинальное стендовое и измерительное оборудование, позволяющее проводить исследования торцовых уплотнений диаметром до 150 мм на частотах вращения приводного вала от 0 до 3000 об/мин и давлениях от 0 до 2 МПа на жидкости и газе, определять расходные характеристики, а также давление в любой точке рабочего зазора уплотнения;
- результаты диссертационной работы использованы в проекте опытного образца насосного агрегата АЦНС 25-2200, разработанного Сумским ООО НПП «Насостехкомплект» (Украина, г. Сумы);
- - рекомендации по расчёту основных физических и геометрических параметров газозатоворного импульсного торцового уплотнения используются для оценки статических и эксплуатационных характеристик торцовых уплотнений центробежных насосов и компрессоров, создаваемых в СКБ ПАО «Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе» (Украина, г. Сумы).
Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают поэтапные результаты, полученные при выполнении диссертации, написанных в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [1, 3, 12] - построение математической модели, разработка компьютерной программы; в работах [2, 8] -составление плана экспериментальных исследований, проведение эксперимента, анализ результатов; в работе [5] - сбор материалов, анализ результатов отечественных и зарубежных исследований.
Постановка цели и задач работы, а также выдвижение идей выполнены соискателем совместно с научным руководителем. Обзор литературных источников, разработка физической и математической моделей рабочего процесса ГзИТУ, изготовление экспериментального стенда и компьютеризированной системы измерения давления, создание программного обеспечения для системы измерения давления в зазоре, проведение экспериментов и обработка полученных экспериментальных данных, а также разработка алгоритмов и проведение аналитических расчётов, написание и оформление докладов и статей проведены соискателем в большей части самостоятельно.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: VII и XI международных конференциях "Гидроаэромеханика в инженерной практике" (Украина, г. Киев, 2002, 2006 гг.), X и XI международных научно-технических конференцииях'Терметичность, вибронадёжность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования "ГЕРВИКОН 2002","ГЕРВИКОН 2005" (Украина, г. Сумы, 2002, 2005 гг.), научно-технической конференции, посвященной 100-летнему юбилею профессора А. А. Ломакина
"Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке" (Россия, Санкт-Петербург, 2003 г.), IV Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Россия, г. Орёл, 2010 г.), X Международной научно-технической конференции «Вибрация 2012. Управляемые вибрационные технологии и машины» (Россия, г. Курск, 2012 г.), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Сумского государственного университета (Украина, г. Сумы) с 2000 по 2008 годы.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 120 наименований. Изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 1 таблицу.
Экспериментальная часть работы выполнена в Сумском государственном университете (г. Сумы, Украина) на кафедре «Общая механика и динамика машин», возглавляемой Заслуженным деятелем науки и техники Украины, доктором технических наук, профессором В.А. Марцинковским. Выражем благодарность своим украинским коллегам за помощь в проведении исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проведения исследований нового газозатворного уплотнения, а также рабочих процессов, происходящих в нём при различных условиях эксплуатации.
Сформулированы цель и задачи исследования, даётся общая характеристика работы.
В первой главе выполнен анализ современного состояния проблемы герметизации валов гидромашин, дано описание наиболее распространенных методов уплотнения, сравнение современных конструкций торцовых уплотнений на газовой смазке.
Рис. 1. Конструкция газозатворного импульсного уплотнения
В качестве объекта для дальнейших исследований выбрано газозатворное импульсное торцовое уплотнение (рис. 1), которое по своим эксплуатационным характеристикам сравнимо с новейшими торцовыми уплотнениями на газовой смазке, но, в отличие от последних, обладает более простой конструкцией и не содержит нетехнологичных и трудновыполнимых деталей. Широкое внедрение этого уплотнения сдерживается недостаточной изученностью его рабочего процесса и отсутствием адекватной расчётной модели.
Во второй главе представлена физическая и созданная на её основе математическая модели рабочего процесса ГзИТУ.
При выводе основных положений расчёта принималось, что торцовый зазор в паре трения ГзИТУ плоский, затворный газ по своим свойствам соответствует идеальному и в диапазоне рабочих параметров (давление затворного газа до 1 МПа, частота вращения ротора до 3000 об/мин) течение газа ламинарное, изотермическое и безынерционное.
В физической модели рабочий процесс ГзИГУ рассматривается как напорное радиальное течение затворного газа через два торцовых дросселя: от радиуса расположения камер и питающих каналов в уплотняемую полость гидромашины и в область за уплотнением (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Течение газа в зазоре а) и нагрузка на кольцо ГзИТУ б)
Во время вращения камеры поочерёдно сообщаются с питающими каналами, при этом затворный газ из каналов под действием разницы давлений р,-р2т1„ впрыскивается из питателей в камеры, происходит сжатие газа в камере и давление в ней повышается от р2тЫ до р2т>х = р,. После того, как камера отходит от питателя, затворный газ вытекает из неё через торцовые пояски в уплотняемую полость и в окружающую среду и давление в ней понижается до р2тЬ. При следующем совмещении камеры с питателем процесс сжатия газа в камере повторяется. Таким образом, во время работы на кольцевом пояске, занятом камерами, образуется область давления газа, минимальное значение которого р1тт больше давления уплотняемой среды р}. Эта кольцевая зона выполняет роль газового затвора, который препятствует прорыву уплотняемой среды в атмосферу. При этом считается, что давление затворного газа на кольцевом пояске, содержащем камеры и питающие каналы, равно некоторому осреднённому давлению р2 = (р2т„ + р2т;„)/2 за время между двумя последовательными совмещениями камеры с питающими каналами.
Во время работы уплотнения под действием совокупности сил, действующих на торцовую и тыльную поверхности подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца, оно смещается. Сместившись, кольцо занимает такое положение, при котором сумма сил, действующих на его торцовую поверхность, уравновешивается суммой сил, действующих на тыльную поверхность. Поскольку процесс наполнения и опорожнения камер цикличен, циклично меняется и величина давления в торцовом зазоре, а следовательно, и усилие, вызывающее осевое смещение уплотнительного кольца.
Уравнение осевых колебаний подвижного уплотнительного кольца имеет стандартный вид:
тх + сх +
где х, х и х - соответственно смещение, скорость смещения и ускорение подвижного в осевом направлении уплотнительного кольца; т - масса кольца; с - коэффициент сопротивления движению, равный динамической вязкости газа ц, с которым
контактирует кольцо; к — жёсткость пружин; Д — предварительное поджатие пружин; —
результирующая действующих на кольцо сил (рис. 3).
Уравнение равновесия кольца под действием приложенных сил записывается в виде
! С >
где - сила, действующая на торцовую поверхность подвижного кольца (раскрывающая торцовый зазор); - сила, действующая на тыльную поверхность подвижного кольца (закрывающая торцовый зазор). Величины сил ^ и Рс определяются эпюрами давлений, действующих на соответствующие площадки торцовой и тыльной поверхностей кольца (см. рис. 2). В отличие от линейной эпюры давления жидкости эпюра давления газа в плоском зазоре имеет выпуклую форму. Закон распределения давления газа по радиусу уплотняющего пояска определяется путем интегрирования одномерного уравнения Рейнольдса для
газовой смазки ^[га3—= Для изотермического (р/р = сопм) напорного течения
Рис. 3. Расчётная схема уплотнения
дг
ц дг
газа силы, действующие на наружный и внутренний кольцевые пояски, ограниченные
радиусами г,, гп
, определяются путем интегрирования уравнения Рейнольдса при
соответствующих граничных условиях. Таким образом:
где силы от давлений, приложенных к соответствующим площадкам определяются по зависимостям:
2 (Рі -РІ,4) ,
^22 — Рі $21
^35.54 — Ргл "з:
" 23,24 ,/—2 2 Ч "23,24
Здесь 522 = п(г2\-г2\), 523 =я(/-3г-г223 ), 524 =71 (г224-/-42), = п(г,2-г52) и 554 = тс(г/-г42) -площади действия давлений; Ррг - усилие поджатия пружин, рА - давление за уплотнением (обычно атмосферное); г5 - радиус размещения вторичного резинового уплотнения (рис. 4). В приведенных зависимостях давление р2, действующее на радиусе размещения камер, является искомой величиной.
При работе уплотнения затворный газ попадает в камеру только при сообщении ее с питающим каналом, поэтому баланс расходов газа из камеры в уплотняемую полость и в атмосферу будет определяться уравнением рабочего процесса уплотнения - балансом массовых расходов газа через кольцевой участок торцового зазора уплотнения с центральным углом ак, равным угловой протяженности замкнутой камеры:
^м2 'г =в„г3 (Г -?2)+ет24 (Т-1г) + <2№ , где От23 и <2ти- соответственно массовые расходы затворного газа из камеры в уплотняемую полость и окружающую среду через внешний и внутренний торцовые дроссели с центральным углом ак за время Г-/2; 0№ - расход на вытеснение газа из зазора; (¿Лр - расход на сжатие газа в камерах при изменении давления, вызываемом
Рис. 4. Геометрические размеры уплотнительного кольца
колебаниями зазора; Qmn - расход на сжатие газа в замкнутой камере во время впрыска газа из питающего канала в камеру за время t2=at+ 2ар/а, в течение которого камера соединена с питающим каналом; ар - центральный угол питающего канала; Т = 2л/(<в /) - время между двумя последовательными совпадениями камеры с питающим каналом.
Величины расходов определяются из соотношений:
П - (Р2Ш.Х Pimm 2К (Pi-Pi) П — U V
RT° t2 RT" t2 ' i '
24цЛГ1п|^
где Ук ~ объем замкнутой камеры; = -г,2) - площадь торцового зазора; /количество питающих каналов.
Уравнение баланса расходов записывается через проводимости каналов течения затворного газа:
«»12 (р\-р1) = 8т»(р1- р])+ 8„1Лр1 - р\)+ + гтрР1, ёт 23 (г3,г23,^а,,ц) и г^О«.»и и) - проводимости соответственно внешнего и внутреннего торцовых дросселей (участков зазора, ограниченных радиусами гг и г1Ъ и радиусами ги и г4); 8тП{У„,Т), gmV(Su,т) и ятр(Ук,Т) - "проводимости" камеры и вытеснения газа из зазора.
Выражая проводимости через базовые (номинальные) величины давления зазора и частоты, можно записать уравнение баланса расходов в безразмерном виде:
8г,иь "(Ч', -У2)= 8„пь »' (V:2-Ч>23)+g„г4ь^^' М '«+8^ 'Ч^
где V, = р]/рь, у2 = рг1рь, уз = Ръ!Рь. Ч>4 = Ра!Рь - безразмерные давления затворной среды, в камерах, в уплотняемой полости и за уплотнением соответственно; и = х/хь -безразмерный зазор; П = со/со4 - безразмерная частота вращения.
Уравнение равновесия подвижного кольца:
St S„ Зц/^-yf S„ S„ 341J-4;; S„
где =0,552, +Л'22 +0,55,, - базовая площадь и \= /(^ рь) - усилие предварительного поджатия пружин. Решение уравнения находится численно относительно осредненного давления в камерах у2.
С помощью приведенных зависимостей изучено влияние нестабильности условий эксплуатации на статические характеристики уплотнения: изменение частоты вращения ротора, изменение рабочего зазора вследствие подвижки ротора в опорах, нестабильность давления на линии подачи затворного газа (рис. 5).
Линеаризовав последние уравнения вблизи положения статического равновесия можно записать, используя вариации:
+ (-2г„244"оЧ'4о)5Ч'4 '^^г.пУо^О ~ «о'Ч*«)8" +
Здесь нулевыми индексами обозначены установившиеся значения величин. Опустив знаки вариаций, полученное выражение записывается в сокращённой форме с
использованием оператора дифференцирования по времени р = — :
Л
+ Оч»: = -К (Г2р +1 )и + С, у, + С3ч/, + С4ч/4 + С0Г2, где С, - параметры, зависящие от установившихся значений проводимостей, давлений и частоты вращения.
Ірїччі
Ы=0 4]
Рис. 5. Влияние условий эксплуатации на статические характеристики ГзИТУ
Уравнение динамики автоматического регулятора: (/¡р + 1)Ф = -^У2(Г2/7 + 1)И + Г, (7]/> + 1)Ч/3 +Г4(7> + 1)Ч/4 +С,Г2Ч/, +С3У2Ч/3 + С4Г2у4 + С0К2П.
Динамическая жёсткость системы:
ф(р) = Ч = _кЬЕ±і
и Т^р +1
Частотная передаточная функция регулятора:
„, ч (г.7;и2+і)л: . (т.-тЛк
' Г, со +1 7;гш + 1
Уравнение динамики системы:
ОІр^^^р3 +а2р2+а,р + а0)и =
Г3(Г,р + 1)ч/3 + Г4(Г,р + і)і)/4 + С,У2¥, +С3Г2м/3 + С47гЧ/4 +С0Г2П' где а, = Т2Т,, а2 = Т2+Т1ТІ, а, =Г4 +ХТ, +Т2К, а0=\ + К.
Для анализа динамической системы используется критерий Гурвица, в соответствии с которым система устойчива, если все коэффициенты собственного оператора положительны (удовлетворяется автоматически) и выполняется неравенство а1а1 - а}а0 > 0 :
т . (-?-?;+(кт,2 -т;)т, ~{тХ) 2 (т<к)г,+{кт2)
Так как Г, и Т2 пропорциональны соответственно Ук и 534, условие устойчивости можно удовлетворить, минимизировав объём камер на поверхности уплотнительного кольца.
Частотные передаточные функции уплотнения по внешним воздействиям
" ..V, ОН'
д. = и (¿>м)р + (0.
V,-"- оИ -
" П 0(|'ш)'
где ь1ч,3 =У3Г,, ь,у4 =г2с3+.г3, г.0„4 = у2с4+п.
Амплитудные А и фазовые Fi частотные характеристики:
где ¿ = а0-а2е>2, М = а,ш-а,ш3.
а.
а,
п.
10
10
а)
б)
Рис. 6. Амплитудная а) и фазовая б) частотные характеристики ГзИТУ
Приведенные зависимости позволяют определить реакцию подвижного кольца на входные гармонические изменения внешних воздействий (рис. 6) для нахождения опасных областей частот и подбора таких параметров уплотнения, при которых амплитуды колебания подвижного кольца не превысят допустимых пределов.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям ГзИТУ. Цель экспериментальных исследований: изучение расходных характеристик ГзИТУ, изучение распределения давления затворного газа в торцовом зазоре ГзИТУ, проверка адекватности разработанной методики расчёта ГзИТУ.
В ходе подготовки к экспериментальным исследованиям был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий проводить исследования торцовых уплотнений с максимальным внешним диаметром узла до 150 мм на частотах вращения приводного вала до 3000 об/мин и давлениях до 2 МПа на жидкости и газе. Конструкция стенда (рис. 7) позволяет плавно регулировать величины уплотняемого и затворного давлений в испытательной головке с помощью газовых редукторов и частоту вращения вала двигателя с помощью ТПЧ. С помощью стенда были проведены исследования двух экспериментальных конструкций ГзИТУ, в одной из которых затворный газ подавался в неподвижное уплотнительное кольцо, а во второй - во вращающееся.
Во время исследований расходных характеристик ГзИТУ ротаметром определялся расход затворного газа через уплотнение при заданных величинах давлений затворного газа (воздух) и уплотняемой среды (воздух) и частоты вращения вала. В ходе исследований использовалось конструкция уплотнения с подачей затворного газа в неподвижное уплотнительное кольцо диаметром 130 мм. В каждой серии экспериментов в уплотнении по очереди применялись уплотнительные кольца с 6, 12 и 24 камерами и 3 и 4 питателями. Исследования проводились при давлениях уплотняемой среды и затворного газа до 0,6. МПа. Полученные расходные характеристики показывают, что расход. затворного ' газа через уплотнение (до 3 Нл/мин) соизмерим с расходом новейших газодинамических уплотнений (до 1 Нл/мин)
и характер зависимости расхода от частоты вращения и давлений соответствует традиционным представлениям о работе импульсных уплотнений.
Ц-^-ф
-«5
а) б)
Рис. 7. Схема экспериментального стенда а) и конструкции ГзИТУ б) для изучения расходных характеристик
Основной результат этого этапа исследований заключается в выявлении и исследовании влияния количества камер и питателей на расходные характеристики ГзИТУ. Данные исследований показывают, что при большем количестве камер уплотнение начинает работать подобно газостатическому: незначительные увеличения или уменьшения давления затворной среды или частоты вращения приводят к резкому росту или падению расхода. При меньшем количестве камер уплотнение становится менее чувствительным к изменениям давления затворного газа и частоты вращения и значительные изменения этих параметров мало сказываются на величине расхода. Такая же закономерность наблюдается и при использовании колец с разным количеством питателей (рис. 8).
Исследования распределения давления в торцовом зазоре ГзИТУ заключались в измерении давления в ключевых точках торцовой щели - в камерах и в промежутках между камерами. Для проведения экспериментов была создана специальная система измерения. Измерительный блок системы построен на лабораторном наборе «4942У Еп<ЗеУсо», состоящем из пьезодатчиков и преобразователя и позволяющем измерять давления сразу в четырех контрольных точках: на линии подачи затворного
газа в уплотнение, в уплотняемой
Р| - Р). зтм
♦ -6 камер 4 питателя -12 камер 4 питателя
■ -12 камер 3 питателя ; і - 24 камеры 4 питателя
Рис. 8. Расходные характеристики ГзИТУ с уплотнительными кольцами, содержащими разное количество камер и питателей
полости стенда, в камере на уплотнительном кольце и в промежутке между камерами. Регистрация, обработка и визуализация поступающих с датчиков сигналов велась с помощью персонального
компьютера Согласования его работы с «4942У Епёеусо» осуществлялось АЦП «Искра 10015» и специально разработанным ПО. Во время проведения экспериментов поступающие с датчиков сигналы оцифровывались и после обработки записывались на жёсткий диск компьютера для последующего анализа и сравнения.
Специально разработанная для
исследований конструкция ГзИТУ (рис. 9) позволяет осуществлять подачу
затворного газа во
вращающееся аксиально-подвижное уплотнительное кольцо. В ходе исследований в уплотнении использовались уплотнительные кольца
диаметром 110 мм с 8 и 12 Рис. 9. Экспериментальная конструкция ГзИТУ для камерами и 4 питателями, изучения распределения давления в торцовом зазоре Исследования проводились
при давлениях уплотняемой среды и затворного газа до 0,6 МПа и частотах вращения до 3000 об/мин. В качестве затворного газа использовался воздух, а уплотняемой среды - воздух и вода.
Результатом этого этапа исследований является изучение влияния режимных параметров на изменение эпюры давления затворного газа в камерах и между ними. Данные исследований показывают, что при неизменной величине перепада между затворным и уплотняемым давлениями с ростом частоты или величины уплотняемого давления амплитуда падений давления затворного газа в камере и в пространстве между камерами уменьшается (рис. 10).
Увеличение перепада давлений приводит к увеличению амплитуды давления в камерах и между камерами, что может стать причиной прорыва уплотняемой среды через торцовый зазор. Применение кольца с меньшим количеством камер позволяет уменьшить амплитуду давления в камерах при тех же рабочих параметрах.
Полученные экспериментальные данные показывают, что при достаточно большом количестве камер (т.е. когда расстояние между двумя соседними камерами меньше или соизмеримо с окружной протяжённостью самих камер) работа ГзИТУ хорошо согласуется с математической моделью и принятыми в ней допущениями, что подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных данных с расчётными. При использовании в уплотнении колец с малым или уменьшенным количеством камер (когда расстояние между отдельными камерами значительно больше окружной протяжённости самих камер) в принятую
математическую модель
необходимо вводить расчёт окружных течения газа в торцовом зазоре и распределения давления в пространстве между камерами.
В четвёртой главе приведен метод численного определения поля давления в торцовом зазоре уплотнения и уточнённая с его помощью методика расчёта характеристик ГзИТУ.
Рис. 10. Осциллограммы изменения давления в местах установки датчиков: 1 - давление затворной среды; 2 - давление уплотняемой среды; 3 - давление в межкамерном промежутке; 4 - давление в камере
Для нахождения распределения давления затворного газа р(у, г) в торцовом зазоре шириной х рассматривается уравнение смазки Рейнольдса:
где и - скорость движения одной из поверхностей, ограничивающих слой газа.
Выразив р = р* (к - показатель политропы) и положив в первом приближении, что давление газа в зазоре со временем не изменяется (бР/д1 = 0), можно это выражение переписать в виде
( Си.1)4!
д д
ду ду Л &
\ >
С1р"х
Решение этого уравнения Пуассона выполнено современным численным методом граничных элементов. Поиск решения выполняется в два этапа: во-первых, определяется решение уравнения без правой части (в виде уравнения Лапласа), а затем из получившегося общего решения вычитается частное решение (правая часть), не зависящее от граничных условий.
Привести уравнение Пуассона к уравнению Лапласа можно, допустив, что режим течения газа в зазоре только радиальный, т.е. обусловленный перепадом давления между наружными и внутренними радиусами торцовых поясков, и что х в окружном и радиальном направлениях изменяется мало и этим изменением можно пренебречь;
дгР . „ >Д
Согласно сути применяемого метода исходная краевая задача для уравнения Пуассона в частных производных приводится к интегральному уравнению по границе исследуемой области. Интегральное уравнение для области с границей Г имеет вид:
Г г а
где % - произвольная точка на границе области; с(£) - функция, учитывающая особенности, возникающие при интегрировании по границе области- фундаментальное решение уравнения Лапласа для двумерного
случая; г - расстояние между точками § и 11 на границе области; ч'(%,т\) = —-^131.
дп(ц)
1}р*х
В качестве области для определения поля давления смазки выбран участок торцового зазора ГзИТУ, ограниченный наружным и внутренним радиусами уплотнительного пояска и радиальными секущими, проходящими через середины соседних камер или камеры и питающего канала. В ходе решения граница области разбивается на отдельные элементы, на каждом из которых задаются граничные условия типа Дирихле - значение давления Р. Численное интегрирование по границе выполняется методом механических квадратур Гаусса.
Нахождение правой части уравнения осуществляется путём итераций, на каждом из этапов которых в выражение ¡1У(у)Р'(£,г\)с1П(г\) подставляется найденное из
п
решения уравнения Лапласа значение Р и производная дР/ду. Производная находится с использованием формул конечных разностей.
В результате решения определены неизвестные значения функции дР/дп на границе, с помощью которых найдены значения функции давления Р в точках внутри области, окруженной границей Г. Полученное решение используется для нахождения давления в зазоре на радиусе расположения камер и питающих каналов, а также величины торцового зазора.
Величина торцового зазора х находится итерационным методом, заключающимся в отыскании такой величины зазора, при которой подвижное в осевом направлении кольцо уплотнения находилось бы в равновесии под действием сил, действующих с тыльной стороны и со стороны торцовой щели. При этом скорость истечения газа из камер зависит от величины торцового зазора (проводимости торца) и действующего в нём давления. Величина давления газа в камере определяется по формуле
_20, > 1 + Се т
р2(/)=0
1 -Се
где 9 - геометрическая характеристика проводимостей элементарных площадок в зазоре в радиальном и окружном направлениях, а С и у определяют направление течения элементарных расходов.
Таким образом, методика расчёта характеристик уплотнения состоит из двух частей: во-первых, численно определяется поле давления затворного газа в торцовой щели, величина мгновенного торцового зазора и расхода газа через него, во-вторых, с помощью зависимостей представленной во второй главе математической модели определяются коэффициент жёсткости уплотнения, значения амплитуд и фаз вынужденного колебания подвижного в осевом направлении торцового кольца. На рис. 11 приведена визуализация оттенками цвета найденного численно распределения давления газа на узком кольцевом участке зазора в месте расположения камер. Применение представленного численного метода позволяет находить мгновенные положения подвижного торцового кольца в зависимости от сочетания условий эксплуатации и угла поворота вращающегося кольца и, таким образом, посредством вычисления текущей несущей способности газового слоя в зазоре определять вынуждающую силу колебаний кольца.
Рис. 11. Результат визуализации численного определения распределения давления на участке торцового зазора, занятого камерами
Результаты численного решения используются также и для определения поля давления газа по всей области торцового зазора. Это позволяет проводить численные исследования влияния на распределения давления газа в зазоре ГзИТУ изменяющихся и нештатных условий эксплуатации и проверку работы уплотнения с точки зрения условий прорыва уплотняемой среды через участки торцового зазора между отдельными камерами, не прибегая к натурным экспериментам.
Установлена область применения, в которой разработанная методика дает расчетные результаты, адекватные фактическим с обусловленной точностью:
- относительно конструктивных особенностей уплотнений граничным критерием является Кс, < 1000 и КеС!, < 100, устанавливающий предельные значения скорости течения газа в окружном и радиальном направлениях в торцовом зазоре:
- интервал частот вращения вала, в котором предложенная методика проверена и дает приемлемые результаты расчетов, находится в границах до 3000 об/мин; диапазон давлений затворной и уплотняемой сред до 0,6 МПа.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача создания методики расчёта характеристик ГзИТУ центробежных насосов. Базовая структура расчётных зависимостей для статических и динамических характеристик приемлема для уплотнений, которые работают в вышеуказанных условиях.
По результатам выполненной работы сделаны следующие выводы:
1. Проведён обзор и анализ патентной и научно-технической информации, который показал перспективность использования уплотнений на газовой смазке. Среди рассмотренных газовых уплотнений особое место занимает газозатворное импульсное торцовое уплотнение, отличающееся простотой конструкции и свойством саморегулирования торцового зазора.
2. Предложена физическая модель, на основе которой построена математическая модель рабочего процесса ГзИТУ, позволяющая определять основные статические и динамические характеристики уплотнения. С её помощью выполнены численные исследования влияния эксплуатационных и геометрических параметров на характеристики ГзИТУ, установлены границы устойчивости бесконтактного режима работы уплотнения.
3. Создан экспериментальный стенд, а также компьютерная система измерения и регистрации основных рабочих параметров. С их помощью выполнены экспериментальные исследования ГзИТУ с различным количеством камер и питающих каналов на уплотнительных кольцах. Полученные результаты позволили определить характер влияния эксплуатационных параметров и конструктивных особенностей колец торцовой пары на расходные характеристики уплотнения.
4. Выявлена и исследована зависимость между рабочими характеристиками уплотнения и количеством камер и питающих каналов на уплотнительных кольцах, а также установлен характер распределения давления в зазоре в зависимости от условий эксплуатации и геометрии уплотнительных колец. Показано, что расходную характеристику уплотнения и характер распределения давления затворного газа в торцовой щели ГзИТУ можно изменять, варьируя количеством камер и питающих каналов на торцовых поверхностях уплотнительных колец.
5. Экспериментально определено, что режим запирания ГзИТУ утечки среды из уплотняемой полости гидромашины может быть нарушен при увеличении перепада давления между затворным газом и уплотняемой средой. Установлено, что использование в уплотнении уплотнительных колец с заданным количеством камер позволяет увеличить допустимый диапазон эксплуатационных параметров.
6. Разработан алгоритм и компьютерная программа, при помощи которой выполнены численные решения уравнения смазки Рейнольдса для определения поля давления затворного газа в торцовой щели. Алгоритм численного решения уравнения смазки даёт возможность дополнить представленную математическую модель ГзИТУ нахождением распределения давления затворного газа в торцовой щели. Найденное распределение давления в зазоре позволяет также проводить анализ условий возникновения прорыва уплотняемой среды через участки торцовой щели между камерами проектирующегося уплотнения.
7. Разработана методика расчета характеристик ГзИТУ, позволяющая определять статические и динамические характеристики уплотнения при различных сочетаниях эксплуатационных параметров. Сравнение расчетных и экспериментальных расходных характеристик показали их хорошее совпадение.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях
1. Кузнецов, Э.Г. Расчет статических характеристик газозатворного торцового уплотнения импульсного типа [Текст] / Э.Г. Кузнецов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - №4(282). - С. 28-35.
2. Кузнецов, Э.Г. Исследование расходных характеристик торцевого затворного импульсного уплотнения [Текст] / Э.Г. Кузнецов, Л.А. Савин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - №5(283). - С. 9-13.
3. Кузнецов, Э.Г. Численная модель течения газа в рабочем зазоре газозатворного импульсного торцового уплотнения [Текст] / Э.Г. Кузнецов, Л.А. Савин //Мир транспорта и технологических машин. - 2013. -№1(40). - С. 27-32.
Другие публикации
4. Кузнецов, Э.Г. Использование метода граничных элементов для определения давления в смазочном слое торцового газозатворного уплотнения импульсного типа [Текст] / Э.Г. Кузнецов // Вісник СумДУ. Сер. Технічні науки (Машинобудування). -2003.-№13(59).-С. 188-194.
5. Кузнецов, Э.Г. Современные затворные торцовые уплотнения валов центробежных машин [Текст] / Э.Г Кузнецов, И.Б. Твердохлеб, А.Е. Чернов // Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке: труды Международной научно-технической конференции. - СПБ: Нестор, 2003. — С. 193-194.
6. Кузнецов, Э.Г. Теоретические и экспериментальные исследования газозатворного импульсного торцового уплотнения [Текст]/ Э.Г. Кузнецов II Герметичність, вібронадійність та екологічна безпека насосного та компрессорного обладнання: праці 11-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Гервікон-2005»: в 3 т. - Суми: Вид-во СумДУ, 2005. - Т. 2. - С. 156-164.
7. Кузнецов, Э.Г. Исследование рабочего процесса газозатворного импульсного торцового уплотнения [Текст] / Э.Г. Кузнецов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - Киев: Киевская книжная фабрика, 2007. - № 1(7). - С. 84-89.
8. Кузнецов, Э.Г. Определение поля давления в смазочном слое торцового газозатворного уплотнения импульсного типа [Текст] / Э.Г. Кузнецов, Л.А. Савин // Ударно-виброционные системы, машины и технологии: материалы IV Международного научного симпозиума / под ред. д-ра техн. наук, профессора Л.С. Ушакова. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - С. 144-154.
9. Кузнецов, Э.Г. Экспериментальные исследования поля давления в торцевом зазоре импульсного газозатворного уплотнения [Текст] / Э.Г. Кузнецов // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: материалы IV Международного научного симпозиума / под ред. д-ра техн. наук, профессора Л.С. Ушакова. - Орел: ОрелГТУ, 2010.- С. 311-321.
10. Кузнецов, Э.Г. Исследование давления в рабочем зазоре газозатворного импульсного торцового уплотнения [Текст] / Э.Г. Кузнецов // Эффективность и качество в машиностроении и приборостроении. — Орел: ОрелГТУ, 2010. - 200 с.
И. Кузнецов, Э.Г. Расчёт динамических характеристик газозатворного торцового уплотнения импульсного типа [Текст] / Э.Г. Кузнецов, Л.А. Савин // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии. -2011.-№2.-С. 51-59.
12. Кузнецов, Э.Г. Динамический расчет газозатворного торцового импульсного уплотнения с использованием МГЭ [Текст] / Э.Г. Кузнецов, Л.А. Савин // Управляемые вибрационные технологии и машины: сборник научных статей: в 2 ч. / редкол.: С.Ф. Яцун (отв. ред.) [и др.] / Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2012. - Ч. 1. -С. 233-240.
Подписано в печать 20.05.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 124. Юго-Западный государственный университет. 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
Отпечатано в ЮЗГУ. ^ *
18
ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
04201 360530
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ ЭДУАРД ГЕННАДЬЕВИЧ
ДИНАМИКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗОЗАТВОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО ТОРЦОВОГО УПЛОТНЕНИЯ
01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук Леонид Алексеевич Савин
Курск-2013
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4
РАЗДЕЛ 1 ВЫБОР ОБЪЕКТА И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................12
1.1. Обзор современного состояния герметизации роторов..........................................12
1.2. Уплотнения контактного типа...................................................................................13
1.3 Бесконтактные торцовые уплотнения........................................................................16
1.4. Уплотнительные системы с затворной жидкостью.................................................19
1.5. Бесконтактные торцовые газовые уплотнения........................................................23
1.6. Импульсные торцовые уплотнения...........................................................................35
1.7. Постановка задачи и выбор направления исследований........................................40
1.8. Выводы.........................................................................................................................42
РАЗДЕЛ 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ГАЗОЗАТВОРНОМ ИМПУЛЬСНОМ ТОРЦОВОМ УПЛОТНЕНИИ........43
2.1. Постановка задачи......................................................................................................43
2.2. Течение газа в торцовой щели...................................................................................44
2.3. Расчет характеристик импульсного газозатворного торцового уплотнения........48
2.4. Численное исследование влияния геометрических и эксплуатационных параметров на характеристики ГзИТУ............................................................................65
2.4.1. Влияние частоты вращения на характеристики ГзИТУ.......................................66
2.4.2. Влияние инициированных внешним воздействием колебаний зазора на характеристики ГзИТУ......................................................................................................67
2.4.3. Влияние колебаний давления затворного газа на характеристики ГзИТУ........68
2.4.4. Реакция кольца на гармонические изменения эксплуатационных параметров.69
2.5. Выводы.........................................................................................................................71
РАЗДЕЛ 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................73
3.1. Объект, цели и задачи экспериментальных исследований.....................................73
3.2. Экспериментальный стенд.........................................................................................74
3.3. Конструкции экспериментальных узлов ГзИТУ.....................................................76
3.4. Система измерения.....................................................................................................80
3.5. Исследование расходных характеристик ГзИТУ....................................................84
3.5.1. Методика проведения исследований.....................................................................85
3.5.2. Анализ экспериментальных данных......................................................................86
3.6. Исследования поля давлений в торцовом зазоре.....................................................92
3.6.1. Методика проведения исследований.....................................................................93
3.6.2. Анализ экспериментальных данных......................................................................94
3.7. Выводы.........................................................................................................................98
РАЗДЕЛ 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЗИТУ С УЧЕТОМ ПАДЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА МЕЖКАМЕРНОМ УЧАСТКЕ ЗАЗОРА.... 100
4.1. Вводные замечания...................................................................................................100
4.2. Численный метод определения давления в торцовом зазоре...............................101
4.3.Определение расхода затворного газа из камеры с учётом падения давления... 111
4.4. Реализация численного метода и моделирование поля давления в зазоре.........114
4.5. Выводы.......................................................................................................................120
ВЫВОДЫ.........................................................................................................121
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................125
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие науки и техники постоянно стимулирует создание всё более мощных и производительных насосных и компрессорных агрегатов, что подразумевает увеличение их рабочих параметров (частот вращения, подач и давлений). В связи с этим к узлам этих агрегатов предъявляются высокие требования надёжности и долговечности. К наиболее ответственным узлам насосов и компрессоров относятся концевые уплотнения и опоры валов. На сегодняшний день традиционные уплотнительные системы не всегда отвечают темпам роста современной промышленности и концевые уплотнения являются одними из самых ненадёжных узлов агрегатов. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов до 50 % всех ремонтных остановок агрегатов происходит из-за выхода из строя уплотнений. Отказ уплотнения, как правило, сопровождается не только загрязнением окружающей среды, но и большими материальными затратами из - за простоя машины. Поэтому на производстве вместо одного насосного (или компрессорного) агрегата дополнительно используют ещё один, а то и два резервных. Такое положение вещей неизменно стимулирует разработчиков на создание более эффективных и, главное, надёжных уплотнительных систем.
Традиционно для предотвращения утечки перекачиваемого продукта используются уплотнительные системы, состоящие из двух уплотнений, между которыми под давлением подаётся специальная затворная жидкость. Эта жидкость течёт через уплотнение в уплотняемую полость и область за уплотнениями, тем самым обеспечивая отсечение утечки уплотняемой среды, промывку и охлаждение уплотнений. Такие системы в комплексе с преимуществами перед одинарными имеют и ряд существенных недостатков: перекачиваемый продукт загрязняется затворной жидкостью, для работы системы требуется дополнительная установка подготовки и подачи затворной жидкости, узкий температурный диапазон работы.
С начала 90-х годов прошлого столетия всё возрастающую популярность на рынке уплотнительных систем приобретают затворные уплотнения на газовой смазке. В них используются два газодинамических уплотнения, между которыми подаётся затворный газ. Эти уплотнения имеют ряд очевидных преимуществ перед жидкостными: загрязнение перекачиваемого продукта затворным газом ничтожно мало (несколько десятков миллилитров газа в минуту), сравнительно простая и, следовательно, более надёжная система подачи затворной среды (газа), возможность работы в широком температурном диапазоне (перекачивание расплавов, криогенная техника и т.п.) и самое главное - значительно больший ресурс (примерно в пять раз выше, чем ресурс уплотнений на жидкостной смазке).
Как показывает патентный обзор, не смотря на то, что исследования уплотнений на газовой смазке начались около 40 лет назад, высокоэффективные серийные узлы на рынке уплотнений стали появляться лишь последние 15-20 лет. Ведущие зарубежные фирмы-производители, стремясь закрепить за собой рынок сбыта, запатентовали выпускаемые ими конструкции и принципы их работы. Монополизация основных способов создания газовых уплотнений и высокая стоимость оригинальных уплотнительных систем, имеющих патент, вынуждает производителя роторных машин разрабатывать собственные конструкции уплотнений. Разработка же нового газового уплотнения - достаточно сложная научно-техническая проблема, находящаяся на стыке таких наук, как газовая динамика, трибология, теория автоматического управления, теория упругости. Тот факт, что информация об основах теоретических расчётов, методах и результатах экспериментальных исследований выпускаемых уплотнений является коммерческой тайной каждой фирмы-производителя, ставит разработчика нового уплотнения перед необходимостью самостоятельно проводить весь комплекс необходимых исследований.
Описанные преимущества газовых затворных уплотнений и сложности, связанные с их созданием, в совокупности говорят о том, что актуальность проблемы создания газовых уплотнений не только не снизилась, но и напротив ещё больше обостряется с каждым годом. Тем более, что потребность в таких уплотнениях постоянно растёт. Поэтому разработка и исследование новых уплотнений на газовой смазке - насущная задача современной промышленности. Её решение будет востребовано сразу несколькими отраслями народного хозяйства: химическим и нефтеперерабатывающим производством, ядерной энергетикой, лёгкой промышленностью.
В работе рассматривается новая конструкция торцового затворного уплотнения импульсного типа с саморегулируемым зазором, работающего на газовой смазке. В силу оригинального принципа работы это уплотнение обладает уникальными свойствами, выгодно отличающими его от существующих аналогов. Пробные экспериментальные пуски этой запатентованной конструкции показывают, что оно при наличии адекватной расчётной модели может стать реальной альтернативой зарубежным газовым уплотнениям.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» в рамках ГРАНТа РФФИ проект № 09-0899020 и в рамках федеральной целевой программы Министерства образования РФ № 14.740.11.0030.
Цель и задачи исследования. Цель работы - совершенствование газозатворного импульсного торцового уплотнения путём исследования рабочего процесса и анализа динамических характеристик.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
провести обзор и анализ патентной и научно-технической информации в области схем герметизации валов центробежных машин с запиранием утечки уплотняемой среды затворным газом и методов их расчёта;
создать физическую и динамическую модели рабочего процесса в газозатворном импульсном торцовом уплотнении и провести численные исследования характеристик уплотнения;
сформировать условия устойчивости бесконтактного режима работы уплотнения в виде требований к геометрическим характеристикам элементов уплотнения;
создать стендовое оборудование и систему измерения рабочих параметров уплотнения, с помощью которых изучить влияние геометрических характеристик элементов уплотнения и эксплуатационных параметров на его рабочий процесс, а также определить возможности повышения эффективности функционирования уплотнения;
разработать математическую модель рабочего процесса, учитывающую влияние конструктивных и геометрических параметров уплотнения на распределение давления запирающего газа в торцовом зазоре и определить диапазон гарантированного запирания утечки уплотняемой среды через уплотнение.
Объект исследования - газозатворное импульсное торцовое уплотнение.
Предмет исследования - рабочий процесс газозатворного импульсного торцового уплотнения и его динамические характеристики.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнялось с использованием расчетно-аналитического метода и метода физического моделирования рабочего процесса ГзИТУ на экспериментальном стенде.
Расчетно-аналитическая часть диссертации базируется на современных методах механики сплошной среды. В основу математической модели заложены закон сохранения вещества (баланс массовых расходов затворного газа) и условие равновесия тела (уплотнительного кольца) под
действием приложенных сил. Моделирование поля давления в торцовом зазоре выполнялось на основе законов и зависимостей теории смазки с использованием численного метода граничных элементов. Адекватность разработанной математической модели ГзИТУ обусловлена применением фундаментальных положений гидро- и газомеханики, систематическим сопоставлением получаемых результатов с известными публикациями.
Физический эксперимент, как составная часть проведенного исследования, включал в себя определение расходных характеристик уплотнения и исследование распределения давления затворного газа в торцовом зазоре в области расположения камер и питающих каналов для заданных параметров работы уплотнения (частота вращения ротора, давления затворного газа и уплотняемой сред). Достоверность полученных экспериментальных результатов обусловлена многократным повторением экспериментов, тестированием измерительной аппаратуры перед каждым экспериментом, визуализацией происходящих процессов, а также удовлетворительной погрешностью измерения физических параметров.
Научная новизна работы определяется совокупностью полученных результатов:
разработана и реализована математическая модель динамики функционирования газозатворного импульсного торцового уплотнения, основанная на совместном решении уравнений движения аксиально-подвижного торцового кольца и баланса расходов затворного газа через рабочий зазор, позволяющая определять условия устойчивости, амплитудно- и фазочастотные характеристики уплотнения;
сформировано условие устойчивости бесконтактного режима функционирования уплотнения с использованием критерия Гурвица;
экспериментально выявлено и теоретически обосновано влияние количества камер и питающих каналов на эффективность работы уплотнения. Доказано, что выбором числа камер и каналов можно задать
чувствительность уплотнения к изменению эксплуатационных параметров, а также диапазон гарантированного затворного функционирования;
разработана математическая модель рабочего процесса, основанная на совместном решении уравнения состояния, баланса расходов и уравнении Рейнольдса, которая позволяет определять поле давления затворного газа в торцовом зазоре, саму величину торцового зазора, расход затворного газа и статическую жёсткость уплотнения.
Практическое значение полученных результатов: создана инженерная методика расчета параметров импульсного газозатворного уплотнения, позволяющая проектировать новые ГзИТУ, удовлетворяющие требуемым рабочим характеристикам (расход затворного газа, давление затворного газа в зазоре, величина торцового зазора);
разработан алгоритм и создана система компьютерного моделирования, позволяющая проводить численные исследования распределения давления газа в зазоре ГзИТУ, не прибегая к натурным экспериментам;
разработано оригинальное стендовое и измерительное оборудование, позволяющие проводить исследования торцовых уплотнений диаметром до 150 мм на частотах вращения приводного вала от 0 до 3000 об/мин и давлениях от 0 до 2 МПа на воде и воздухе, определять расходные характеристики, а также давление в любой точке рабочего зазора уплотнения.
результаты диссертационной работы использованы в проекте опытного образца насосного агрегата АЦНС 25-2200, разработанного Сумским ООО Hi 111 «Насостехкомплект» (Украина, г. Сумы).
- рекомендации по расчёту основных физических и геометрических параметров газозатоворного импульсного торцового уплотнения используются для оценки статических и эксплуатационных характеристик торцевых уплотнений центробежных насосов и компрессоров, создаваемых
в СКБ ПАО «Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе» (Украина, г. Сумы).
Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают поэтапные результаты, полученные при выполнении диссертации и написанные в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [107, 109, 117] - построение математической модели, разработка компьютерной программы; в работах [108, 114] - составление плана экспериментальных исследований, проведение эксперимента, анализ результатов; в работе [111] - сбор материалов, анализ результатов отечественных и зарубежных исследований.
Постановка цели и задач работы, а также выдвижение идей выполнены соискателем совместно с научным руководителем. Обзор литературных источников, разработка физической и математической моделей рабочего процесса ГзИТУ, изготовление экспериментального стенда и компьютеризированной системы измерения давления, создание программного обеспечения для системы измерения давления в зазоре, проведение экспериментов и обработка полученных экспериментальных данных, а также разработка алгоритмов и проведение аналитических расчётов, написание и оформление докладов и статей проведены соискателем в большей части самостоятельно.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и были доложены на:
VII и XI международных конференциях "Гидроаэромеханика в инженерной практике" (Украина, г. Киев, 2002,2006 г.г.);
X и XI международных научно-технических конференции "Герметичность, вибронадёжность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования "ГЕРВИКОН 2002","ГЕРВИКОН 2005" (Украина, г. Сумы, 2002, 2005 г.г.);
Научно-технической конференции, посвящённой 100-летнему юбилею профессора А. А. Ломакина "Современное состояние и перспективы
развития гидромашиностроения в XXI веке" (Россия, Санкт-Петербург, 2003 г.).
На IV Международном научном симпозиуме «Ударно-виброционные системы, машины и техно
