автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение точности гидродинамического расчета щелевых уплотнений питательных насосов

ЧШЕШСКШ ГОСЩРИЕЕШШ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

43а правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Виталий Альбертович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЩГОДШАШЧЕСКОГО РАСЧЕТА ЩЕЛЕВЫХ УШКШЖШ ПИТАТЕЛЫШ НАСОСОВ.

Специальность (Ж,02.02 - "Машиноведение и детали машин" '

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соиспанке ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1992

Б&бота выполнена в Уральском филиале Всесоюзного теплотехнического ' научно-исследовательского института им Ф.Э. Дзержинского

Научный руководитель .-доктор технических наук,

профессорЩургвиц А.Г.[

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Прокопьев В.Н.

кандидат технических наук, доцент Курочкин Ю.Б.

Ведущее предприятие - Санкт-Петербургское производственное объединение "Пролетарский завод"

Защита состоится

А 1992 г. в часов

на заседании специализированного совета К 055.13.02 Челябинского государственного технического университета по адресу: 454080, г. Челябинск, проспект Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиртеке университета.

Автореферат разослан * * -Я 1992 г.

Ученый секретарь специалиэорованного Совета

К 053.13.02 кандидат технических наук,

доцент Жастхов Б.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теми, . Строительство энергетических блоков 300-1200 МВт привело ж необходимости создания питательных насосов мощностьв 15-20 МВт с подачэй 1000-1500 и3/ч, давлением до 30-35 Ша, частотой вращения приводной турбшш до 6000 ой/мин. Задача повышения ресурса таких насосов является актуальной с учетом большого диапазона изменения наработок до отказа (от 6000 до 20000 ч.), наличия аварийных простоев и значительных затрат пря ремонте как в СНГ тая и за рубежом.

• Снижение ресурсов насосов между капитальными ремонтами вызвано, в частности, увеличением вибрации и пульсаций давления жидкости. Вибрация роторов является одной из основных причин простоя питательных насосов, а, следовательно, и причиной внепланового простоя основного оборудования энергетических блоков.

Проектирование надежных и экономичных "центробежных насосов невозможно без использования точннх я надежных методов расчета критических частот вращения и устойчивости ротора. Точность этих методов, в значительной мере, определяется точностью,учета гтщродинамических сил в щелевых уплотнениях. Экспериментальные и теоретические исследования щелевых ушготнейкй доказывают, в ряде случаев, несоответствие опытных и расчетных данных гак при определении гидродинамикескгос сил, так и условий возникновения автоколебаний ротора. л

Актуальность уточнения методик расчета гидродинамических сил в щелевых уплотнениях при произвольном движении ротора определяется, таким образом, потребностями энергомашиностроения а также ряда областей машиностроения, э которых решающую роль

играет надежность щелевых уплотнений.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с межотраслевым планом научно-исследовательских и опытно-промышленных работ по повышению ресурса питательных насосов Ленинградского научно-производственного объединения "Пролетарский завод" для энергоблоков 250-1200 МВт; планами НИР Уральского филиала Всесоюзного теплотехнического института.

Цель работы. Разработать метод гидродинамического расчета, рекомендаций для проектирования к конструкций щелевых уплотнений питательных насосов поваленной надежности.

Методы исследования.В работе использованы методы гвдродинашческой теории смазки и технической механики. Решение систем дифференциальных уравнений движения жидкости проведено численными методами. Проварка точности решений осуществлялась сравнением- результатов расчета и. эксперимента.

Научная новизна. Впервые разработав метод расчета гидродинамики щелевого уплотнения конечной .длины отчетом локальных и конвективных составляющих ускорения жидкости. В отличие от известных, метод позволяет учесть напорное течение -жидкости в окружном направлении ж влияние движения ротора на падение давления на входе в щель. .

Обоснованы области использования математических моделей короткого уплотнения и уплотнения конечной длины.на основе параметрических исследований, выполненных в шроком^диадазоне изменения конструктивных параметров.'

Разработана, изготовлена а внедрена конструкция стенда, защищенная авторским свидетельством, позволяющая проводить измерения полей давления в щелевых уплотнениях с торцовым подводом

.смазки к нестационарном движении ротора.

Практическая ценность. Использование разработанного метода расчета, программ и рекомендаций но выбору параметров щелевых уплотнений обеспечивает снижение расхода смазки л увеличение гидродинамической жесткости уплотнений, что обеспечивает повышение надежности питательных насосов, сокращает затраты времени на их проектирование и доводку.

Реализация и внедрение. Разработанная методика расчета гидродинамических сил в виде пакета программ внедрена на Ленинградском научно-производственном объединении "Пролетарский завод" и используется при решении практических задач, гребущих определения расхода жидкости и гидродинамических сил в уплотнениях питательных насосов. Предложенная методика использована при анализе конструкций целевых уплотнений разгрузочного устройства головного образца питательного насоса ПБ-1500» 350-1 блока 800 МВт Пермской ГРЭС и разработке мероприятий по снижению гзвдродинашческих воздействий на ротор.

Результаты исследований реализованы в конструкции щелевого уплотнения /а.с.Л 918559/ и устройстве дал исследования зависимости гидроданажческих давлений в масляном слое трущихся поверхностей /а.с.й 1163178/, которое внедрено на стендах Уральского филиала ВТИ.

Ап п р о б а ц и я р а 0 о я- ы., Основные полоавния и результатн исследований докладывались яа третьей, четвертой и пятой Всесоюзных научно-технических конференциях по уплотнитель-ной технике /г. Суш, 1982, 1985, 1988 гг./, на Всероюзной научно-технической коиреренют "Долговечность энергетического оборудования и динамика гидроупругих систем" /г.Челябинск, 1988 г./,

«

/

на Всесоюзной научно-технической конференции "Научные проблбт современного энергетического.машиностроения и их решаете" /г.Ленинград, 1987 г./, на ежегодных научно-технических конференциях Челябинского политехнического института ' /г.Челябинск, 1984 -- 1991 гг./.

Публикации. Ло результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе два авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы ж пршгоке'ния. Она содержит 173 страницы, в том числе 92 страницы основного машинописного текста, 53 иллюстрации, 126 наименований отечественных и иностранных источников, 19 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность темы, сформулирована даль работы и дано краткое изложение новых научных ре- . зультатов.

I. Обзор методов расчета. Выполнен анализ современного состояния теории и практики щелевых уплотнений мощных питательных насосов, сформулированы основные задачи работы.

Рассмотрены различные конструкции щелевых уплотнений, отмечено что многощелевые уплотнения хотя и обладает большим гидравлическим сопротивлением, но могут вызывать повышенную виорацш ротора. Однощелевые уплотнения благодаря простоте конструкции и достаточно малым утечкам наши широкое применение в качестве уплотнений проточной части современных питательных насосов.,

Целью гидравлического расчета щелевых уплотнений является определение расхода жидкости через уплотнение и гидродинамических сил, действующих на ротор. Известно, что эти силн, возникающие в уплотнениях проточной час^, определяются перепадом давления и существенно влияют на критические частоты вращения и устойчивость ротора. Основой для решения задачи определения расхода и гидродинамических "сил в щелевых уплотнениях являются работы А.И.Голубева, А.А.Ломакина, В.А.Шрдинковслого, Й.Б.Каринцева, Г.Ф.Блэка, У.Ямады и др. Существующие методы расчета используют методы гидродинамической теории смазки и математические модели короткой опоры скольжения. Использование известной модели короткой опоры применительно к уплотнениям рабочих колес может быть эпраэдано, так как отношение длины к диаметру этих уплотнений' лного меньше единицы. Но использование тех ase математических мотелей к уплотнениям разгрузочного устройства и кошевым уплотнениям1 гребует дополнительного обоснования, так как для этих уплотнений ¡тнопгёнйе длины к диаметру больше единицы.

Трудность использования модели конечного уплотнения приме-Еительно к щелевш уплотнениям с торцовта подводом жидкости за-яючается в необходимости решения полной системы уравнений» ошг-;ыващих движение дикости н кольцевом зазоре при произвольном вияении ротора с учетом локальных ж конвективных составляющих нерпди жидкости, а такие в учете изменения сопротивления в'щели ри вращении ротора. Разработкой методов расчета гвдродинамичес-дх параметров спор скольжения конечной дайны с учетом локально и конвективных членов инерции -явдкости занимались Г.А.Заэь-лов, А.Г.Бзпргввд, А.С.Кельзон, А.Т.По.тепкзй3.Н.Прокопъев, -Я.Токарь, Ю.ПДиманский-и др. Численными методами решения •

задачи турбулентного течения вязкой несжимаемой жадности в тонком слое посвязцвнн работы О ,М .Белоцарковского, О.М.Лаундера, М.А.Лишцинера, СЛатаюсара, Д.Сполдинга и др.

Как показал анализ методов расчета гидродинамических характеристик в опорах скольжения конечной длины наиболее приемлемыми для щелевых уплотнений являются численные методы разработанные С.Патанкаром и Д.Споддингоы.

Предложенная ими итерационная процедура применена 0Л.1а-ундером и Ю.Лешоднером для расчета нолей давления я полей скоростей в плоской опоре скольжения с квадратной в плане колодкой. Так как в щелевом уплотнении не имеет места разрыв слоя известная численная схема расчета нуждается в модернизации с целыз решения §адач при периодических граштаых условиях по окружности уплотнения.

В задачу исследований входило:

- разработка метода расчета гвдроданамических сия в щелевых уплотнениях конечной длины с учетом течения жидкости в окружном направлении, а также локальных и конвективных составляющих инерпки зшдаостк; ' . -

- проведение сравнительного анализа математических моделей уплотнения конечной длины и короткого уплотнения, выполнения параметрических исследований различных конструкций щелевых уплотнений; •

- разработка экспериментальной установки по исследованию полей давления в зазоре "щелевого уплотнения при нестационарном двизеетш ротбра л торцовом подводе гвдкости, проведение сравнительного анализа теоретических а экспериментальных исследований;

. - разработка рекомендаций по проектировали:-- щелевых уплотнений питательных яасссоа.

2. Сггределение гидродинамических сил. Решена задача вычисления расхода и гидродинамических сил в конечной колышвой щели (рис.1) с вращающимся и предессирувдим ротором и неподвижной ста-горной втулкой.

Предполагается, что зазор мал по сравнению с радиусом, жидкость несжимаема, рассматривается автомодельная область турбулентного режима течения.

Схема щелевого уплотнения и основные"обозначения

Для вычисления гидродинамических сил испо'льзуется следувдая форда уравнений движения несжимаемой жидкости в кольцевом зазоре:

+ - ис) ;

где Р - давление в зазоре, Л®.'^ - коэффициенты .сопротивления трения окружного и осевого течений, Ь - радиальный зазор, Р -- плотность жидкости, ис*Мс - окружная и осевая скорости,

Л _ > * /риш* .

** рии? ' " ри ¿1С ' °« - '

Граничные условия определяются законом движения ротора, заданным перепадом давления на уплотнении и условиями неразрывности потока в окружном направлении. • 1

С использованием идей ДЛагаякара подучены конечно-разност-ныэ уравнения на прямоугольной шахматной сетке. Системы уравнений для скоростей и давлений решались методом прогонки. При определении полей давления и полей скоростей в щелевом уплотнении с граничными условиями периодичности использовался модифицировав-шй метод "круговой" прогонки.

Проведана тестовая проверка точности разработанного метода расчета сравнением с результатами вычислений Лаундера и Лешине-ра. Контроль расчетов полей давления при нестационарном движении жидкости, учет локальной составлявшей инерции базировался на результатах Элрода. Проверка показала, что . реализованный алгоритм дает достоверные результаты и может быть использован при проведении сравнительного анализа различных моделей щелевого уплотнения.

3. Сравнительная опенка математических моделей. Приведены результаты сравнительного анализа математических моделей короткого уплотнения и уплотнения конечной длины и результаты параметрических исследований целевых уплотнений.

Сравнение математических моделей проведено для щелевых уплотнений с параметрами i/O = 0,25 и 1,0. Первое число соответствует уплотнению рабочего колеса, второе кольцевой щели разгрузочного диска. Расчеты проведены применительно к питательным насосам для жидкости с вязкостью, характерной для питательной воды тепловых электрических станций (JU - 0,0002 нс/rf ). Исследовались различные режимы работы уплотнений: частоты вращения от 0 до 80 1/с, перепада давления от 0 до-10 Ща. Длина уплотнений изменялась от 10 до 200 мм, радиус от 50 до 150 мм, радиальный зазор от 0,1 до 0,9 мм.

На рисунке 2 показано отношение гидродинамических сил, рассчитанных по модели уплотнения конечной длины (индекс к силам, рассчитанным по модели короткого уплотнения (индекс, Проекция силы, действующая по линии центров - радиальная сила обозначена через Fp , направленная перпендикулярно смещению ротора - циркуляционная через Ы . Как видно из рисунков расхождение методов особенно заметно при расчетах циркуляционной составляющей» Если для радиальной составлявшей расхождение .не превышает 10-15 % для короткого уплотнения и 40' %. для уплотнения конечной^длины ( L/U = 1,0), то величина.циркуляционной составляющей, рассчитанной по модели уплотнения конечной длш&г может отличаться в несколько раз от величины, полученной путем расчета по модели короткого уплотнения.

■ Параметрические исследования щелевых уплотнений проводились

о

путем расчета и сравнения гидродинамических сил дня уплотнений

Проекции гидродинамической силы

р:

ре

6,0 4,0 2,0 О

/1 ,

/ У

ч

£

6,0 4,0 2,0 О

N

N

/

/ \

О 0,2 0,4 0,6

е ■

РИС; 2

© 0 0,2 0,4 0,6

с различными геометрическими параметрами. Получены зависимости гидродинамической силы от эксцентриситета £. , параметра радиуса уплотнения Я , радиального зазора , частоты вращения о) , перепада давления в щели др »

На рисунке 3 в качестве призера приведена зависимость гидродинамической силы от эксцентриситета для уплотнений рабочих колес (короткое уплотнение) ж уплотнений разгрузочного устройства (уплотнение конечной длины). Как видно из рисунка, величина радиальной составляющей гидродинамической силы для дтттппгот щелевых уплотнений существенно больше, чем для коротких. Циркуляционная составлнвдая такие существенно больше.

Таким образом, использование длинных щелей в уплотнениях быстроходных питательных насосов позволяет увеличить несущу®

Зависимость гидродинамической силы от эксцентриситета

РСН1 0,50 Ю4 0,25 Ю4 О

О 0,2 0,4 0,6 .0,8 & / Рис.3

способность уплотнений, а благодаря увеличения циркуляционной ' составляющей Гидродинамической силы, повысить устойчивость к возникновению автоколебаний ротора при условии, что собственная частота ротора выйте частоты вращения. Использование коротких уплотнений, например за счет введения в конструкцию кольцевых канавок, приводит соответственно к снижению несущей способности уплотнений, увеличению прогиба ротора питательного насоса и вероятности задеваний в проточной части. '

Исследования многощелевых уплотнений позволили разработать конструкция уплотнения повышенной вибрационной надежности, защищенную авторским свидетельством.

»

4. Экспериментальная проверка алгоритма расчета. Проведена проверка точности предложенного алгоритма расчета гидродинамических сил з щелевых уплотнениях путем сравнения эксперименталъ-

ных данных о расчетными. Для исследования распределения давления и гидродинамических сил в щелевом уплотнении при нестационарном движении- ротора разработана специальная установка, защищенная авторским свидетельством. Установка отличается от известных тем, что ось втулки, насаженной на вал, расположена эксцентрично или перекошена относительно оси вала. При вращении вала втулка образует в корпусе уплотнение, зазор которого меняется относительно неподвижного корпуса.

На опытных установках определены гидродинамические силы, построены их экспериментальные зависимости от эксцентриситета и частоты вращения, проведено сравнение экспериментальных полей давления с расчетными (рис.4) и подтверждена достаточная точность предложенного алгоритма расчета гидродинамических сил.

Распределение давления^

■конфузорная щель

0,2 О •

о 0,2 0,4 0,6 ¿/Р

даффузорная щель

0,6 ' 0,4 ■

0,2

О

__ 0,2 0,4 0,6 , ¿/6 Рис.4 .....

„_ - расчет; - эксперимент.

ОСНОВНЫЕ РЕЗНЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод расчета полей давления и полей скоростей в щелевом уплотнении на основе математической модели уплотнения конечной длины с учетом локальных и конвективных составляющих инервди жидкости, а также напорного течения жидкости в окружном направлении, отличащийся от известных тем, что позволяет проводить расчеты щелевых уплотнений с учетом их конструктивных особенностей, в частности» позволяет рассчитывать уплотнения с произвольным отношением длины к. диаметру.

2. Расчеты щелевых уплотнений по предложенному методу позволят существенно увеличить точность расчета величины гидродинамических сил. Так например, определение центрирующей силы предлагаемым методом с использованием модели конечного уплотнения в конструкциях с отношением длины к диаметру в пределах от 0,5 до 1,5 (уплотнения разгрузочных устройств) снижает погрешности расчета с использованием модели короткого уплотнения в два раза. Предложенный метод позволяет уточнить величину циркуляционной составляющей гидродинамической силы, погрешность определения' которой известными методами, в' сравнении с предложенным, может достигать более 300 %,

Анализ математических моделей уплотнений показал, что модель короткого уплотнения может быть использована только при определении радиальных составляющих, гидрсда&ашческой силы в щелях с отношением длины к диаметру не более 0,3.

3. Проведение параметрических исследований щелевых уплотнений позволило более точно оценить влияние конструктивных пара-

шатров щелевых уплотнений на гидродинамические силы.

4. Адекватность математических моделей алгоритмов и программного обеспечения подтверждена сравнением результатов расчета с данными эксперимента, полученными на экспериментальной установке.

5. Разработанная методика расчета щелевых уплотнений внедренная на Ленинградском объединении "Пролетарский завод" в виде пакета программ с экономическим эффектом от внедрения. 60 тысяч рублей на один насос энергоблока 800 МВт, позволила привести оценку величины гидродинамических сил в разливших конструкциях щелевых уплотнений при разработке рекомендаций по наладке головного питательного насоса ПН-1500-350-Ги повысить его надежность.

о

Устройство для исследования зависимости гидродинамических сил в масляном слое трущихся .поверхностей защищено авторским свидетельством и внедрено на стендах ГралВТИ.

Е7БШШМ ПО РАБОТЕ

1. A.c. & 918559 /СССР/. Центробежный насос/Чегурко Л.Е., Васильев В.А. - Опубл. 1982, Бюл.£ 13.

2. A.C. £ II63I78 /СССР/. Устройство для исследования, зависимости гидродинамических давлений в масляном слое трущихся поверхностей/Васильев В.А., Завьялов Г.А., Чегурко Л.А., Иванова 0J3. - Опубл. 1983, Бюд.№ 23^

3. Васильев В.А. 0 влиянии трения в многощелевых уплотнениях на устойчивость движения, ротора насоса. В сб., - Гидравлические машины» вып. 17, из-во Харьковского ун-та, 1983, с.17-18..

4. Васильев В.А., Чегурко Л.Е. Определение коэффициентов демпфирования колебаний в щелевых уплотнениях. Химическое и нефтяное машиностроение,- Je 5, 1985, c.II-12.

5. Васильев В.А. Влияние гидродинамической устойчивости . потока в щелевом уплотнении на колебания ротора. - Динамика и прочность машн, 1985, й 42, о» 123-126.

6. Васильев В.А.,, Завьялов Г.А. Определение поля давления в щелевом уплотнении-при нестационарном движении ротора: Тезисы докладов к 4 Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплот-нительной технической технике, Сумы, 1985, с.20-21.

7. Васильев В.А., Иванова О.В., Шалдин Н.В. Численный метод расчета гидродинамических сил в щелевых уплотнениях: Тезисы докладов к 5 Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнитеяьной технике, Сумы, 1988, с.49-50. '

8. Турбулентное течение вязкой жидкости в уплотнениях насосов /Г.А.Завьялов, В.А.Васильев, О.В.Иванова. - Разработка и исследование вспомогательного оборудования турбинных устано-

. вок ТЭС. Сборник научных трудов/ВТЙ, 1991, с.79-85.

. 9. Туркия А.Н., Васильев В.А., Чегурко I.E. Повышение наг-дежности и экономичности энергетических насосов. В сб. Совершенствование энергетического оборудования ТЭС, 1991, с. 179-192.

10. Численные методы расчета гидродинамических сил в щеле-

вых уплотнениях роторов/Ъ.А.Васильев, О.В.Иванова, И.В.Шаддин.-Разр£~>отка а исследование вспомогательного оборудования турбинных установок ТЭС. Сборник научных трудов/ВТИ, 1991, с.88-92.