<<
>>

§ 2.9. ОСЕВЫЕ И РАДИАЛЬНЫЕ СИЛЫ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ

Осевые силы. Эти силы возникают в центробежных машинах в результате различных по значению и направлению давлений, действующих на рабочие колеса с передней (обращенной к всасыванию) и задней сторон.

Кроме того, осевая сила возникает в результате динамического действия потока, входящего в рабочие колеса. В крупных многоступенчатых центробежных машинах осевые силы могут достигать нескольких десятков тонн.

При вычислении осевых сил, действующих на криволинейные поверхности рабочего колеса, надо рассматривать проекции этих поверхностей на плоскость, нормальную к геометрической оси машины.

Пусть в полости входа в рабочее колесо давление равно p1(рис. 2.21). При наличии уплотнения а на входном диаметре колеса конечное давления p2распространяется через зазоры в полости bи cперед и за колесом. Действительное осевое давлениер в любой точке наружной поверхности колеса, лежащей на произвольном расстоянии от центра, является результатом действия двух давлений: p1иpωсоздаваемого действием центробежной силы жидкости, вращающейся в полости между наружной поверхностью колеса и корпусом, т, е.

p = p?+p». (2.60)

Опытным путем доказано, что при отсутствии расхода через зазоры средняя угловая скорость вращения жидкости в полостях между поверхностями вращающегося колеса и корпусом равна половине угловой скорости рабочего колеса. На основании этого соображения можно вычислить pw.

Выделим в полости с кольцевой объем жидкости с шириной, равной единице, и радиусами rи r+dr.При вращении этого кольцевого объема с угловой скоростью о/2на

его внутренней цилиндрической поверхности действует центробежная сила жидкости

Рис.

2.21. Распределение осевых давлений по наружным поверхностям колеса центробежной машины

Отрицательный знак у dpwуказывает на то, что под влиянием центробежной силы жидкости в цилиндрических сечениях полости Cвозникает разрежение (давление уменьшается):

Из выражения (2.60) и (2.63) следует, что

Гидравлическое уплотнение при входе в колесо на окружности радиусом Ryобусловливает уравновешивание внешних давлений на рабочее колесо с передней и задней сторон. В пределах же от Rдо Ryдавления на колесо не уравновешены, так как с передней стороны колеса действует давление всасывания p1, а с задней - давление р, рас­пределенное по закону, выражаемому формулой (2.64). Очевидно, сила, обусловленная этими давлениями, действующими на колесо, равна

Интегрирование и алгебраические преобразования приводят последнее уравнение к виду

Поток в колесе радиальной центробежной машины изменяет направление движения. Входя в осевом направлении, он покидает колесо, двигаясь в плоскостях, нормальных к оси машины, благодаря чему возникает динамическое давление на колесо. Силу, обусловленную этим давлением, можно определить, применив уравнение количества дви-

Направление действия силы P^hсоответствует направлению скорости C0входа в колесо машины.

Осевая сила, действующая на одно рабочее колесо центробежной машины, получается алгебраическим сложением сил Ppи РдиН:

Как видно из выражения (2.69), осевая сила зависит от различных факторов.

Основными из них являются: радиальные размеры колеса R2и Ry, частота вращения и

давление на выходе из колеса. Осевая сила существенно зависит от режима работы центробежной машины. Осевая сила тем больше, чем менее машина нагружена, т.е. чем меньше подача машины, достигаемая дросселированием. Наивысшее значение осевой силы - на холостом ходу машины (полное закрытие регулирующего дросселя). Это объясняется отсутствием динамической осевой силы и повышением P2с уменьшением подачи машины.

Формула (2.69) относится к одной ступени центробежной машины. Если же центробежная машина состоит из iодинаковых ступеней давления, то осевая сила на роторе машины будет равна

Рос= iPoc. (2.70)

В действительных условиях благодаря протечкам через уплотнения значения осевой силы несколько отличаются от вычисляемых по выражениям (2.69) и (2.70).

Рис. 2.22. Колесо центробежной машины с двусторонним входом

Рис. 2.23. Многоступенчатая машина с двусторонним симметричным входом

Осевая сила в многоступенчатых машинах может достигать больших значений, и восприятие ее упорными подшипниками при большой частоте вращения вала затруднено. Только у машин малых размеров и при небольшом числе ступеней можно допустить восприятие осевой силы упорным подшипником.

Двусторонний подвод потока жидкости в рабочее колесо. Рабочее колесо с подводом потока жидкости с двух сторон (рис. 2.22) не передает осевой силы на вал вследствие своей симметрии. Колеса такого типа широко применяются в одноступенчатых центробежных машинах.

Рис. 2.24. Уравновешивание осевой силы Рис. 2.25. Уравновешивание осевой при помощи отверстий в основном диске силы при помощи разгрузочного рабочего колеса диска (гидравлической пяты)

В многоступенчатых и многопоточных машинах с четным числом рабочих колес можно разместить колеса одинаковыми группами с подводом потока жидкости с разных сторон, как показано на рис.

2.23. В таких случаях осевые силы, создаваемые обеими группами колес, одинаковы по значению, но различны по направлению и поэтому взаимно уравновешены.

Такой способ уравновешивания осевой силы является одним из лучших, так как он обеспечивает надежное уравновешивание без понижения КПД машины.

Для фиксирования ротора машины в осевом направлении и восприятия незначительных осевых сил, обусловленных недостаточно строгой симметрией ротора (влияние технологических и монтажных неточностей), в машинах такого типа устанавливают шариковый подпятник.

Выравнивание давления с обеих сторон рабочего колеса. Из диаграммы распределения внешних давлений на колеса машины (см. рис. 2.21) следует, что осевая сила является результатом неравенства осевых давлений перед колесом и за ним в пределах радиусов Ryи Rb. Если на заднем диске колеса центробежной машины по окружности с радиусом Ryразместить уплотняющее цилиндрическое кольцо К, а в теле заднего диска близ ступицы колеса просверлить несколько отверстий, то давления перед колесом (на входе) и за ним будут уравновешены (рис. 2.24) и осевая сила будет вызываться только динамической составляющей ее. Динамическое усилие на входе относительно невелико и может быть воспринято шариковым подпятником.

Отверстия в диске, сообщающие полости перед колесом и за ним, иногда заменяют соединительной трубкой, сообщающей указанные полости. Такой способ уравновешивания удобен, прост и поэтому широко распространен.

К недостаткам описанного способа разгрузки следует отнести некоторое понижение объемного КПД машины (за счет перетекания среды через отверстия) и ухудшение структуры потока при входе на рабочие лопасти вследствие местных потоков через разгрузочные отверстия.

Разгрузочный диск (гидравлическая пята). В конструкциях многоступенчатых центробежных машин осевую силу можно уравновесить специальным диском, называемым разгрузочным (или гидравлической пятой) (П на рис, 2.25), который жестко крепится за последним колесом машины на валу.

Давление p2за последним рабочим колесом машины распространяется через радиальный зазор δrи действует на диск, как это показано стрелками. В полости за диском поддерживается давление, приблизительно равное давлению p1во всасывающей трубе насоса. Это достигается соединением полости А со всасывающей трубой машины отводящей трубкой Б. Ясно, что давление, близкое к p1, может поддерживаться в полости А только при условии, что осевой зазор δaмежду диском и поверхностью кольцевого выступа корпуса достаточно мал по сравнению с диаметром отводящей трубки Б. В противном случае, т. е. когда размер δaувеличен и кольцевая щель шириной δaимеет малое гидравлическое сопротивление, давление в полости А возрастет и диск, находящийся под действием разности давлений p2- p1. будет создавать недостаточную осевую силу. При нормальных соотношениях между размерами δa, δrи диаметром отводящий трубки Б разгрузочный диск создает осевую силу, прилагаемую к валу и направленную вправо, равную осевой силе, создаваемой рабочими колесами. Для этого разгрузочный диск П должен иметь диаметр Dn, удовлетворяющий условию

I

где Dbt- диаметр втулки рабочего колеса; hr- гидравлическое сопротивление радиального зазора δr; hE- сопротивление перепускной трубки Б.

Такое уравновешивающее устройство обладает способностью авторегулирования. Действительно, если по какой-либо причине ротор машины вместе с диском сдвинулся из нормального положения вправо, то зазор δaувеличится, гидравлическое сопротивление его уменьшится, давление в полости В снизится, а в полости А возрастет. Уравновеши­вающая сила на диске уменьшится, равновесие между осевой силой, создаваемой рабочими колесами, и уравновешивающей силой, созданной диском, нарушится в пользу первой и ротор сдвинется влево, восстановив нормальное значение зазора 6.

В противоположном направлении протекает процесс при сдвиге ротора из нормального положения влево. Таким образом, правильно рассчитанный диск будет автоматически самоустанавливаться, обеспечивая соответствие между осевой и уравновешивающей силами.

Конструктивное выполнение разгрузочного диска в воздушных центробежных машинах отличается от рассмотренного, хотя способ действия разгрузочного диска во всех случаях остается одним и тем же.

Уравновешивание с помощью разгрузочного диска нашло широкое применение в многоступенчатых машинах благодаря простоте и надежности действия. Крупным недостатком этого способа уравновешивания является увеличение утечек жидкости, вызывающее снижение КПД машины. В одноступенчатых машинах сказывается также влияние расхода мощности на преодоление потерь дискового трения. Поэтому в одноступенчатых машинах разгрузочный диск не применяют.

Радиальные силы. Основная причина возникновения радиальных сил - асимметрия потока на выходе из рабочего колеса, обусловленная в основном влиянием отвода. При изменении скорости в отводе по закону сохранения энергии происходит соответственное изменение давления по длине отвода. Эти изменяющиеся давления в сумме и дают радиальную силу, действующую на ротор насоса.

Давление в спиральном отводе постоянно по длине лишь при расчетном режиме насоса с оптимальной подачей Q0. Естественно, что при регулировании насоса при

Q Q0- как конфузор, и скорость в нем соответственно уменьшается или увеличивается. Таким образом, радиальная сила возникает лишь при отклонении режима от оптимального.

Из теоретических предпосылок и опытов радиальная сила в насосе со спиральным отводом рассчитывается по формуле

Из формулы видно, что максимальное значение радиальной силы (Pr)МАКС= krPgHD2b2достигается при Q = 0, минимальное - при Q = Q0. Для насосов с кольцевым отводом применяется формула

В ориентировочных расчетах принимается kr» 0,36.

Радиальные силы вызываются также статической и динамической неуравновешенностью ротора вследствие неточности технологии и монтажа насоса. Радикальным способом уменьшения радиальной силы является применение двухзаходной спирали и канальных направляющих аппаратов.

Радиальные силы воспринимаются подшипниками насоса и существенно влияют на их надежность и долговечность.

<< | >>
Источник: В. М. КАСЬЯНОВ, С. В. КРИВЕНКОВ, А. И. ХОДЫРЕВ, А. Г. ЧЕРНОБЫЛЬСКИЙ. ГИДРОМАШИНЫ И КОМПРЕССОРЫ. Конспект лекций для студентов ВУЗов.

Еще по теме § 2.9. ОСЕВЫЕ И РАДИАЛЬНЫЕ СИЛЫ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ:

  1. § 3.6. КОНСТРУКЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
  2. § 9.2. ЦЕНТРОБЕЖНО - ВИХРЕВОЙ НАСОС
  3. § 3.2. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
  4. § 3.8. ОСОБЫЕ КОНСТРУКЦИИ АГРЕГАТОВ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ
  5. § 3.7. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОСТИ НА КОНСТРУКЦИЮ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
  6. § 3.5. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
  7. § 2.20. КАВИТАЦИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСАХ, РАСЧЁТ ПРОЦЕССА ВСАСЫВАНИЯ
  8. ЧАСТЬ III ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ
  9. § 2.13. ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ВЯЗКОСТИ СРЕДЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКУ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
  10. ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И ОСНОВНЫЕ РАСЧЁТЫ.
  11. § 13.9. ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
  12. § 13.3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО
  13. § 2.8. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ И МНОГОПОТОЧНЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
  14. § 13.8. ОСНОВЫ РАСЧЁТА СТУПЕНИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
  15. § 9.1. ВИХРЕВЫЕ НАСОСЫ