Осевые и радиальные силы в центробежных насосах

Осевые силы. Эти силы возникают в центробежных машинах в результате разных по значению и направлению давлений, действующих на рабочие колёса с передней (обращённой к всасыванию) и задней сторон. Кроме того, осевая сила возникает в результате динамического действия потока, входящего в рабочие колёса. 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 (рис.2.21). При наличии уплотнения на входном диаметре колеса давление распространяется через зазоры в полости и перед и за колесом. Действительное осевое давление в любой точке наружной поверхности колеса, лежащей на произвольном расстоянии от центра, является результатом действия двух давлений: и , создаваемого действием центробежной силы жидкости, вращающейся в полости между наружной поверхностью колеса и корпусом, т.е.

(2.60)

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 .

Рисунок 2.21 Распределение осевых давлений по наружным поверхностям колеса центробежной машины

Выделим в полости кольцевой объём жидкости с шириной, равной единице, и радиусами и . При вращении этого кольцевого объёма с угловой скоростью на его внутренней цилиндрической поверхности действует центробежная сила жидкости

. (2.61)

Давление, обусловленное этой центробежной силой,

. (2.62)

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

(2.63)

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

(2.64)

Гидравлическое уплотнение при входе в колесо на окружности радиусом обусловливает уравновешивание внешних давлений на рабочее колесо с передней и задней сторон. В пределах от до давления на колесо не уравновешены, так как с передней стороны колеса действуют давление всасывания , а с задней – давление , распределённое по закону, выражаемому формулой (2.64). Сила, обусловленная этими давлениями, действующими на колесо, равна

(2.64)

Интегрирование и алгебраические преобразования приводят последнее уравнение к виду

(2.66)

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 движения,

(2.67)

где . Тогда

(2.68)

Направление действия силы соответствует направлению скорости входа в колесо машины.

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

. (2.69)

Из выражения (2.69) видно, что осевая сила зависит от различных факторов, основными из которых являются: радиальные размеры колеса и , 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 с уменьшением подачи машины.

Формула (2.69) относится к одной ступени центробежной машины. Если же центробежная машина состоит из одинаковых ступеней давления, то осевая сила на роторе машины будет равна (2.70)

В действительности осевая сила благодаря протечкам через уплотнения несколько меньше значения, вычисляемого по формулам (2.69) и (2.70).

Осевая сила в многоступенчатых машинах может достигать больших значений, и восприятие её 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 жидкости в рабочее колесо. Рабочее колесо с подводом потока жидкости с двух сторон (рис.2.22) не передаёт осевой силы на вал вследствие осевой симметрии. Колёса такого типа широко применяются в одноступенчатых центробежных машинах.

В многоступенчатых и многопоточных машинах с чётным числом рабочих колёс можно разместить колёса одинаковыми группами с подводом потока жидкости с разных сторон, как показано на рис. (2.23).

Рисунок 2.22 Колесо Рисунок 2.23 Многоступенчатая машина с

Центробежной машины

с двусторонним входом

В таких случаях осевые силы, создаваемые обеими группами колёс, одинаковы по значению, но различны по направлению и поэтому взаимно уравновешены. Такой способ уравновешивания осевой силы является одним из лучших, так как он обеспечивает надёжное уравновешивание без понижения КПД машины. Для фиксирования ротора машины в осевом направлении и восприятия незначительных осевых усилий, обусловленных недостаточно строгой симметрией ротора (влияние технологических и монтажных неточностей), в машинах такого типа устанавливают шариковый подпятник.

Выравнивание давления с обеих сторон рабочего колеса. Осевая сила является результатом неравенства осевых давлений перед колесом и за ним.

Если на заднем диске колеса центробежной машины с радиусом разместить уплотняющее цилиндрическое кольцо , а в теле заднего диска близ ступицы колеса просверлить несколько отверстий, то давление перед колесом на входе и за ним будут уравновешены (рис.2.24) и осевая сила будет вызываться только её динамической составляющей. Динамическое усилие на входе невелико и может быть воспринято шариковым подпятником.

Отверстие в диске, сообщающее полости перед колесом и за ним, иногда заменяют соединительной трубкой, сообщающей указанные полости. Такой способ удобен, прост и поэтому широко распространён.

К недостаткам этого способа разгрузки можно отнести некоторое понижение объёмного КПД машины (за счёт перетекания среды через отверстия) и ухудшение структуры потока при входе на рабочие лопасти в следствие 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 жёстко крепится за последним колесом машины на валу.

Рисунок 2.24 Уравнове- Рисунок 2.25 Уравновешивание осевой

шивание осевой силы при силы при помощи разгрузочного диска

помощи отверстий в основном (гидравлической пяты)

диске рабочего колеса

Давление за последним рабочим колесом машины распространяется через радиальный зазор и действует на диск, как показано стрелками. В полости за диском поддерживается давление, приблизительно равное давлению во всасывающей трубе насоса. Это достигается соединением полости А со всасывающей трубой машины отводящей трубкой Б. Давление, близкое к , может поддерживаться в полости А только при условии, что осевой зазор между диском и поверхностью кольцевого выступа корпуса достаточно мал по сравнению с диаметром подводящей трубки Б. В противном случае, когда размер увеличен и кольцевая щель шириной имеет малое гидравлическое сопротивление, давление в полости А возрастает и диск, находящийся под действием разностей давлений будет создавать недостаточную осевую силу. При нормальных соотношениях между размерами и диаметром отводящей трубки Б разгрузочный диск будет создавать осевую силу, прилагаемую к валу и направленную вправо, равную осевой силе, создаваемой колёсами. Для этого разгрузочный диск П должен иметь диаметр , удовлетворяющий условию

(2.71)

где - диаметр втулки рабочего колеса; - гидравлическое сопротивление радиального зазора ; - сопротивление перепускной трубки Б.

Такое уравновешивающее устройство обладает способностью авторегулирования. Если по какой – либо причине ротор машины вместе с диском сдвинулся из нормального положения вправо, то зазор увеличиться, снизиться его гидравлическое сопротивление, давление в полости В уменьшится, равновесие между осевой силой, создаваемой рабочими колёсами, и уравношивающей силой, созданной диском, нарушится а пользу первой и ротор сдвинется влево, восстановив нормальное значение зазора . 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.

Уравновешивание с помощью разгрузочного диска нашло широкое применение в многоступенчатых машинах благодаря простоте и надёжности действия. Большим недостатком этого способа 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 расчётном режиме насоса с оптимальной подачей . При регулировании насоса при спиральный отвод работает как диффузор, а при - как конфузор, и скорость в нем соответственно уменьшается или увеличивается. Таким образом, радиальная сила возникает лишь при отклонении режима от оптимального.

Радиальные силы уменьшают применением двухзаходной спирали и канальных направляющих аппаратов. Радиальные силы воспринимаются подшипниками насоса и существенно влияют на их надёжность и долговечность.

Дата добавления: 2014-12-08