Экспериментальные исследования

Плавающее кольцо, несмотря на внешнюю простоту, представляет собой сложную гидромеханическую систему, взаимодействующую с вращающимся и вибрирующим валом. Поэтому результаты теоретического анализа, связанного с неизбежными упрощениями реального объекта, требуют экспериментальной проверки. Такая проверка проводилась на специальных экспериментальных установках, оснащенных современными измерительными средствами.

Исследования расходных характеристик, вынужденных и самовозбуждающихся колебаний плавающих колец проводились на установке с консольным валом 125], которая включает испытательную головку (рис. 6.31) и ряд функциональных систем: гидравлического обеспечения стенда, смазки мультипликатора, регулирования частоты вращения ротора, контрольно-измерительную.

Рис. 6.31. Испытательная головка стенда с консольным ротором для исследования плавающих колец

Испытательная головка вместе с мультипликатором и приводным двигателем установлена на общем жестком сварном кронштейне. В корпусе 9 закреплена полая ось 5, через которую проходит торсион 2 с чашечной втулкой 1. Втулка охватывает ось с малым зазором, который вместе с камерами 3 и подводящими каналами 4 выполняет функции гидростатического подшипника. Второй опорой торсиона является шарикоподшипник выходного вала мультипликатора. В корпусе размещены внутреннее 6 и испытываемое 8 плавающие уплотнительные кольца. Крышка 10 служит опорной поверхностью кольца 8.

Система регулируемого электропривода включает тиристорный преобразователь частоты ТПЧ-63, который позволяет плавно изменять частоту вращения ротора электродвигателя от 0 до 3000 об/мин. Передаточное отношение мультипликатора 7,4, диапазон рабочих частот вращения от 0 до 22 000 об/мин. Диаметр роторной втулки под плавающим кольцом 0,15 м.

Система гидравлического обеспечения содержит плунжерный насос производительностью 10 м³/ч, который подает воду под давлением до 15 МПа в камеру 7, уплотняемую плавающими кольцами. Отдельный насос подает воду под давлением 0,5 МПа на гидростатический подшипник.

Измерительная система стенда регистрирует частоту вращения ротора, давление уплотняемой жидкости и ее расход через испытываемое кольцо, температуру воды перед и после уплотнения, а также радиальные колебания вала и кольца в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, разность фаз этих колебаний, составляющие динамического эксцентриситета кольца относительно вала и угловые колебания кольца. Сигналы всех датчиков преобразуются в напряжения постоянного тока и поступают на входы интерфейсного блока «Искра-015-11». Обработка информации, ее накопление и вывод на печатающее устройство и на экран ЭВМ «Искра-1256» производится в соответствии с программой, хранящейся на кассетной ленте.

Эксперименты показали, что свободное плавающее кольцо неустойчиво относительно угловых колебаний во всем диапазоне частот. Осевое упругое поджатие и радиальная упругая подвеска кольца а51, способствуют его стабилизации, так как упругие элементы создают восстанавливающий момент     пропорциональный их жесткости.

При относительно слабых перекрестных связях, когда радиальные и угловые колебания можно считать независимыми, экспериментальные границы устойчивости хорошо согласуются с расчетными, полученными по формулам (6.92) и (6.93). Для связанных колебаний область устойчивости сужается, а расхождение расчетных и экспериментальных результатов увеличивается до 40 %. Тем не менее с качественной стороны эксперименты полностью подтверждают теоретические выводы о влиянии на динамику кольца гидродинамических сил и моментов различной природы, а также о влиянии основных геометрических параметров, которыми определяются силовые факторы. В частности, эксперименты подтверждают существенное влияние на динамику колец перекосов вала и конусности кольцевого зазора: перекос θ1 и диффузорность (θ2 < 0) увеличивают амплитуды вынужденных колебаний кольца и сужают область динамической устойчивости. Конфузорность кольцевого и тыльного (θ4 > 0) торцового зазора стабилизирует кольцо.

Сильно нагруженные в осевом направлении полуподвижные кольца, для которых не выполняется условие самоцентровки, работают как щелевые уплотнения, а возникающие в них гидродинамические силы воздействуют на колебания ротора. Исследование такого воздействия проводилось [26] на установке (рис. 6.32) с двухопорным гибким ротором в диапазоне от 0 до 20 000 об/мин при давлении масла в камере уплотнений до 10 МПа. Первая собственная частота колебаний ротора в воздухе 630 с-1.

Рис. 6.32. Экспериментальная установка с симметричным ротором для исследования плавающих и щелевых уплотнений

Эксперименты показали, что при выполнении условия самоцентровки колец под действием неуравновешенных сил инерции ротор совершает вынужденные колебания, синхронные с частотой вращения. Резонанс находится вблизи собственной частоты ротора в воздухе, т. е. плавающие кольца мало влияют на критическую частоту ротора. Если приняты специальные меры, обеспечивающие угловую устойчивость колец, то на частоте, близкой к удвоенной собственной частоте радиальных колебаний колец, последние теряют динамическую устойчивость и совершают несинхронные радиальные колебания с амплитудой, достигающей размеров радиального зазора.

В случае полуподвижных колец критическая частота вращения ротора увеличивается за счет радиальной гидростатической жесткости в кольцевом зазоре, а амплитуда его вынужденных колебаний существенно уменьшается. Даже переход «через критику» благодаря демпфирующим силам в уплотнении происходит без заметного повышения амплитуды. Таким образом, полуподвижные кольца можно использовать как дополнительные упруго-демпфирующие опоры, позволяющие оптимизировать вибрационные характеристики ротора.

При измерении расходов проверялось влияние частоты вращения ротора на гидравлическое сопротивление кольцевых каналов. Исследования, проведенные на частотах до 20 000 об/мин, подтвердили, что расход с ростом частоты вращения существенно уменьшается, причем результаты эксперимента достаточно точно согласуются с расчетами по формуле (6.50). Проливка уплотнений со ступенчатым зазором показала, что этой формулой можно пользоваться для оценки влияния вращения на расходы через кольцевые каналы более сложного сечения. Подтвержден также сделанный ранее вывод о том, что расход через ступенчатый зазор на 15—30 % меньше, чем расход через канал постоянного сечения со средним зазором h0 =  0,5 (h01 + h02) (рис. 6.33, а).

Обратное влияние на расход оказывают радиальные колебания кольца. В режиме автоколебаний, когда амплитуда сравнима с зазором, расход увеличивается на 25—30 % (рис. 6.33, б) при уплотняемом перепаде давления 0,2 МПа. Если подача на уплотнения запирающей жидкости производится насосом с круто падающей напорной характеристикой (например, насосом объемного типа), то с началом автоколебаний кольца давление в камере уплотнений резко падает из-за увеличения расхода. В связи с этим автоколебательный режим опасен не только с точки зрения вибрационной надежности, но и потому, что он может привести к прорыву радиоактивной воды из полости насоса в затворную камеру уплотнения через внутренние уплотняющие кольца [26].

Рис. 6.33. Расходные характеристики плавающих колец