Расчет критических частот ротора многоступенчатого насоса с учетом эффекта Ломакина в переднем уплотнении рабочего колеса

Важным этапом проектирования многоступенчатого лопастного насоса являются динамические частотные исследования, которые призваны подтвердить жесткость и вибрационную надежность ротора насоса. Согласно рекомендации Дж.Ф. Гулича, номинальная частота вращения вала ротора должна отличаться от критической не менее чем на 25 %. Эффект Ломакина предполагает учитывать гидродинамические силы, действующие в щелевых уплотнениях и оказывающие демпфирующее действие на ротор насоса. Разработана и верифицирована методика численного учета гидродинамических сил, возникающих в уплотнениях лопастных насосов при критических частотах вращения ротора. Исследования проведены на «сухой» модели ротора с использованием программного комплекса ANSYS Mechanical. Для численного моделирования подшипников и уплотнений использован элемент COMBIT214, в котором задавались коэффициенты жесткости. Значения коэффициентов жесткости определены путем расчета течения рабочей жидкости в щелевом уплотнении в программном пакете ANSYS CFX. Верификация методики выполнена с привлечением экспериментальных данных. Жесткость уплотнения рассчитана для разных режимов работы насоса. Показано, что гидродинамические силы, возникающие в щелевых уплотнениях, значительно влияют на критические частоты вращения ротора. Их учет увеличивает основную собственную частоту ротора примерно на 44 %, т. е. оказывает существенное качественное и количественное влияние на вибрационные характеристики насоса. Установлено, что на значение гидродинамической силы влияют несколько факторов: прогиб вала, перепад давления и геометрия щелевого уплотнения. Предложенную методику рекомендовано использовать для многоступенчатых центробежных насосов.

Литература

[1] Марцинковский В.А. Динамика роторов центробежных машин. Сумы, СумГУ, 2012. 562 с.

[2] Gulich J.F. Centrifugal pumps. Springer, 2010. 1116 p.

[3] Childs D.W. Finite-Length Solutions for the Rotordynamic Coefficients of Turbulent Annular Seals. Journal of lubrication technology, 1983, no. 6, pp. 437–445, doi: 10.1115/1.3254636

[4] Childs D.W., Dressman J.B. Convergent-tapered Annular Seals: Analysis Coefficients. Journal of Tribology, 1985, no. 3, pp. 307–316, doi: 10.1115/1.3261059

[5] Ломакин А.А. Питательные насосы типа СВП-220-280 турбоустановки сверхвысоких параметров. Энергомашиностроение, 1955, № 2, с. 1–10.

[6] Васильев В.А. Повышение точности гидродинамического расчета щелевых уплотнений питательных насосов. Дис. … канд. техн. наук. Челябинск, 1992. 170 с.

[7] Савченко E.H., Тарасевич Ю.Я. Исследование самовозбуждающихся колебаний ротора в щелевых уплотнениях. Труды 11-ой Международной научно-технической конференции «Гервикон-2005», 2005, Украина, Сумы, т. 2, с. 284–289.

[8] Гроховский Д.В. Влияние эксцентриситета, перекоса межступенчатых щелевых уплотнений на динамику ротора. Энергомашиностроение, 1988, № 1, с. 18–21.

[9] Nordmann R., Massmann H. Identification of dynamic coefficients of annular turbulent seals. NASA Conference Publication, 1984, pp. 295–312.

[10] ANSYS CFX User’s Guide, release 14.5. ANSYS, Inc., February 12, 2013.

[11] Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. Санкт-Петербург, Изд-во Политехн. ун-та, 2012. 88 с.

[12] Свобода Д.Г., Жарковский А.А. Влияние модели турбулентности на интегральные параметры осевого насоса с быстроходностью NS = 560. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2013, т. 15, № 4(2), с. 573–578.

[13] Pospelov A.Y., Zharkovskii A.A. Effect of the Parameters of a Computational Model on the Prediction of Hydraulic Turbine Characteristics. Power Technology and Engineering, 2015, vol. 49, iss. 3, pp. 159–164, doi: 10.1007/s10749-015-0591-5

[14] Shcherba V.E., Shalai V.V., Grigor’ev A.V., Kondyurin A.Yu., Lysenko E.A., Bazhenov A.M., Tegzhanov A.S. Analysis of results of theoretical and experimental studies of the influence of radial gaps in stepped slot seal of piston hybrid energy-generating machine. Chemical and Petroleum Engineering, 2018, vol. 54, pp. 666–672, doi: 10.1007/s10556-019-00531-x