Расходные и жесткостные характеристики

Перемещения уплотнительной и эксцентриковой опорной втулок измеряются при помощи токовихревых датчиков и преобразователей зазор—напряжение виброизмерительной аппаратуры «ВИЗА-З». В двух каналах измерения вибросмещений выводятся на печать статический эксцентриситет и амплитуда колебаний уплотнительной втулки, а также фазовый сдвиг ее колебаний относительно биений опорной втулки.

Измерения расходов, амплитуд и фаз вынужденных колебаний ротора производились при четырех перепадах давления (0,2; 0,5; 1,0; 2,0 МПа) при частотах вращения от 0 до 1000 с-1 с шагом 50 с-1. Расходные характеристики уплотнений всех типов, осредненные по частоте вращения ротора (рис. 6.22), показывают, что самой низкой герметичностью обладают уплотнения с гладким цилиндрическим зазором. Наименьший расход обеспечивают лабиринтные уплотнения с малыми осевыми зазорами h2 между гребнями, создающими дополнительные гидравлические сопротивления. Однако технически реализовать подобную конструкцию крайне сложно.

Рис. 6.22. Расходные и жесткостные характеристики исследованных уплотнений (символы кривых соответствуют рис. 6.19)

Расходные характеристики сотовых, лунковых и лабиринтных уплотнений с центральным расположением гребней практически совпадают; все они обеспечивают протечки приблизительно на 20 % меньше, чем уплотнения с гладкой щелью.

Динамические испытания проводились одновременно с измерением расходов. Для возбуждения колебаний ротора с оборотной частотой в роторной втулке 9 (рис. 6.21) с противоположных торцов соосно просверлены два отверстия диаметром 4,5 мм на глубину 50 мм, что обусловило смещение центра масс втулки на 0,12 мм. Для каждого уплотнения были получены амплитуда и фазовый сдвиг вынужденных колебаний ротора в диапазоне 0—1000 с-1, за исключением режимов, когда наблюдались касания роторной и статор ной уплотнительных втулок или автоколебания вала в виде несинхронной прецессии. Такие режимы определялись визуально по отклонению формы наблюдаемых на экране осциллографа колебаний ротора от гармонической или его траектории от правильной круговой.

На рис. 6.23 показаны экспериментальные частотные характеристики ротора в уплотнениях различных типов при перепаде давления 1,0 МПа. Их вид соответствует модели динамической системы ротор—уплотнение в виде линейной колебательной системы второго порядка и позволяет сделать качественные выводы о гидродинамических параметрах исследованных уплотнений. Количественные характеристики получены методом оценки параметров. Результаты вычисления жесткости исследованных уплотнений приведены на рис. 6.22. Там же штриховыми линиями показаны теоретические расходная и жесткостная характеристики уплотнения с гладким цилиндрическим зазором, рассчитанные для автомодельного режима течения по формулам (6.47) и (6.50). Совпадение расчетных и экспериментальных значений расхода и жесткости для этого уплотнения свидетельствует об удовлетворительной точности методики экспериментального определения жесткостей и других типов уплотнений, для которых расчет пока невозможен из-за сложности геометрической формы дросселирующих каналов.

Рис. 6.23. Амплитудные и фазовые частотные характеристики ротора в исследованных уплотнениях (символы кривых соответствуют рис. 6.19)

Сопоставление полученных данных свидетельствует об относительно низких жесткостных свойствах лабиринтных уплотнений с перекрывающимися гребнями. Этот факт объясняется малой несущей способностью узких лабиринтных гребней и свободным перетоком жидкости в окружном направлении по каналам большого сечения между ними, что приводит к выравниванию давления по окружности и к уменьшению радиальной центрирующей силы в уплотнении. Это положение справедливо и для прямоточных лабиринтных или импеллерных уплотнений.

Значительное влияние на жесткость лабиринтных уплотнений оказывают их конструктивные особенности. Максимальной жесткостью обладают уплотнения, в которых обеспечивается конфузорный поток между лабиринтными гребнями (вариант A3 на рис. 6.20). Уплотнения с диффузорным течением (вариант В1) могут иметь отрицательную жесткость, поэтому необходимо стремиться к гарантированному исключению возможности подобного сочетания зазоров в лабиринтных уплотнениях. При испытании уплотнений варианта В1 на стенде их бесконтактная работа оказалась возможной только в узком диапазоне частот вращения и перепадов давления. При перепадах давления больше 0,5 МПа втулка невращающегося ротора прижималась к статорной расточке, а при перепаде 4 МПа начинались автоколебания. Подобные результаты получены также в [15], где гидростатическая жесткость лабиринтных уплотнений определялась по границе динамической устойчивости ротора.

Сотовое уплотнение обладает более благоприятными гидродинамическими качествами. Его жесткость выше, частотные характеристики ротора в этом уплотнении более плавны, что свидетельствует о его хороших демпфирующих свойствах. Однако значительно лучшие результаты показало лунковое уплотнение. Его жесткость сравнительно высока и составила 50 % жесткости гладкощелевого уплотнения с теми же основными геометрическими параметрами. Уплотнение с такой жесткостью уже может оказывать заметное влияние на динамику роторов насосов, повышая их критические частоты вращения. Кроме того, лунковые уплотнения более надежны в экстремальных условиях работы при механическом контакте ротора со статорной расточкой: они меньше подвержены задирам и схватыванию, чем гладкощелевые и лабиринтные уплотнения с кольцевыми гребнями. После разборки на обеих уплотняющих поверхностях почти не было следов натиров.

Таким образом, лабиринтные уплотнения с перекрывающимися гребнями в лучшем случае не обладают центрирующей способностью, а при осевых смещениях ротора (вариант A3 на рис. 6.20) могут вызвать автоколебания с большими амплитудами. Поэтому в высокооборотных насосах применение таких уплотнений не оправдано.

Если уменьшение вибраций и протечек одинаково важно, то можно применять лунковые уплотнения, которые по гидравлическому сопротивлению не уступают лабиринтным и сотовым, а по упруго-демпфирующим свойствам значительно их превосходят. По сравнению с гладкощелевыми уплотнениями лунковые меньше подвержены задирам, хотя их гидростатическая жесткость примерно в два раза ниже, чем щелевых.