Динамика функционирования газозатворного импульсного торцового уплотнения

Интенсивное развитие науки и техники постоянно стимулирует создание всё более мощных и производительных насосных и компрессорных агрегатов, что подразумевает увеличение их рабочих параметров (частот вращения, подач и давлений). В связи с этим к узлам этих агрегатов предъявляются высокие требования надёжности и долговечности. К наиболее ответственным узлам насосов и компрессоров относятся концевые уплотнения и опоры валов. На сегодняшний день традиционные уплотнительные системы не всегда отвечают темпам роста современной промышленности и концевые уплотнения являются одними из самых ненадёжных узлов агрегатов. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов до 50% всех ремонтных остановок агрегатов происходит из-за выхода из строя уплотнений. Отказ уплотнения, как правило, сопровождается не только загрязнением окружающей среды, но и большими материальными затратами из — за простоя машины. Поэтому на производстве вместо одного насосного (или компрессорного) агрегата дополнительно используют ещё один, а то и два резервных. Такое положение вещей неизменно стимулирует разработчиков на создание более эффективных и, главное, надёжных уплотнительных систем.

Традиционно для предотвращения утечки перекачиваемого продукта используются уплотнительные системы, состоящие из двух уплотнений, между которыми под давлением подаётся специальная затворная жидкость. Эта жидкость течёт через уплотнение в уплотняемую полость и область за уплотнениями, тем самым обеспечивая отсечение утечки уплотняемой среды, промывку и охлаждение уплотнений. Такие системы в комплексе с преимуществами перед одинарными имеют и ряд существенных недостатков: перекачиваемый продукт загрязняется затворной жидкостью, для работы системы требуется дополнительная установка подготовки и подачи затворной жидкости, узкий температурный диапазон работы.

С начала 90-х годов прошлого столетия всё возрастающую популярность на рынке уплотнительных систем приобретают затворные уплотнения на газовой смазке. В них используются два газодинамических уплотнения, между которыми подаётся затворный газ. Эти уплотнения имеют ряд очевидных преимуществ перед жидкостными: загрязнение перекачиваемого продукта затворным газом ничтожно мало (несколько десятков миллилитров газа в минуту), сравнительно простая и, следовательно, более надёжная система подачи затворной среды (газа), возможность работы в широком температурном диапазоне (перекачивание расплавов, криогенная техника и т. п.) и самое главное — значительно больший ресурс (примерно в пять раз выше, чем ресурс уплотнений на жидкостной смазке).

Как показывает патентный обзор, не смотря на то, что исследования уплотнений на газовой смазке начались около 40 лет назад, высокоэффективные серийные узлы на рынке уплотнений стали появляться лишь последние 15−20 лет. Ведущие зарубежные фирмы-производители, стремясь закрепить за собой рынок сбыта, запатентовали выпускаемые ими конструкции и принципы их работы. Монополизация основных способов создания газовых уплотнений и высокая стоимость оригинальных уплотнительных систем, имеющих патент, вынуждает производителя роторных машин разрабатывать собственные конструкции уплотнений. Разработка же нового газового уплотнения — достаточно сложная научно-техническая проблема, находящаяся на стыке таких наук, как газовая динамика, трибология, теория автоматического управления, теория упругости. Тот факт, что информация об основах теоретических расчётов, методах и результатах экспериментальных исследований выпускаемых уплотнений является коммерческой тайной каждой фирмы-производителя, ставит разработчика нового уплотнения перед необходимостью самостоятельно проводить весь комплекс необходимых исследований.

Описанные преимущества газовых затворных уплотнений и сложности, связанные с их созданием, в совокупности говорят о том, что актуальность проблемы создания газовых уплотнений не только не снизилась, но и напротив ещё больше обостряется с каждым годом. Тем более, что потребность в таких уплотнениях постоянно растёт. Поэтому разработка и исследование новых уплотнений на газовой смазке — насущная задача современной промышленности. Её решение будет востребовано сразу несколькими отраслями народного хозяйства: химическим и нефтеперерабатывающим производством, ядерной энергетикой, лёгкой промышленностью.

В работе рассматривается новая конструкция торцового затворного уплотнения импульсного типа с саморегулируемым зазором, работающего на газовой смазке. В силу оригинального принципа работы это уплотнение обладает уникальными свойствами, выгодно отличающими его от существующих аналогов. Пробные экспериментальные пуски этой запатентованной конструкции показывают, что оно при наличии адекватной расчётной модели может стать реальной альтернативой зарубежным газовым уплотнениям.

Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» в рамках ГРАНТа РФФИ проект № 09−899 020 и в рамках федеральной целевой программы Министерства образования РФ № 14.740.11.0030.

Цель и задачи исследования

Цель работы — совершенствование газозатворного импульсного торцового уплотнения путём исследования рабочего процесса и анализа динамических характеристик.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: провести обзор и анализ патентной и научно-технической информации в области схем герметизации валов центробежных машин с запиранием утечки уплотняемой среды затворным газом и методов их расчётасоздать физическую и динамическую модели рабочего процесса в газозатворном импульсном торцовом уплотнении и провести численные исследования характеристик уплотнениясформировать условия устойчивости бесконтактного режима работы уплотнения в виде требований к геометрическим характеристикам элементов уплотнениясоздать стендовое оборудование и систему измерения рабочих параметров уплотнения, с помощью которых изучить влияние геометрических характеристик элементов уплотнения и эксплуатационных параметров на его рабочий процесс, а также определить возможности повышения эффективности функционирования уплотненияразработать математическую модель рабочего процесса, учитывающую влияние конструктивных и геометрических параметров уплотнения на распределение давления запирающего газа в торцовом зазоре и определить диапазон гарантированного запирания утечки уплотняемой среды через уплотнение.

Объект исследования — газозатворное импульсное торцовое уплотнение.

Предмет исследования — рабочий процесс газозатворного импульсного торцового уплотнения и его динамические характеристики.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнялось с использованием расчетно-аналитического метода и метода физического моделирования рабочего процесса ГзИТУ на экспериментальном стенде.

Расчетно-аналитическая часть диссертации базируется на современных методах механики сплошной среды. В основу математической модели заложены закон сохранения вещества (баланс массовых расходов затворного газа) и условие равновесия тела (уплотнительного кольца) под действием приложенных сил. Моделирование поля давления в торцовом зазоре выполнялось на основе законов и зависимостей теории смазки с использованием численного метода граничных элементов. Адекватность разработанной математической модели ГзИТУ обусловлена применением фундаментальных положений гидрои газомеханики, систематическим сопоставлением получаемых результатов с известными публикациями.

Физический эксперимент, как составная часть проведенного исследования, включал в себя определение расходных характеристик уплотнения и исследование распределения давления затворного газа в торцовом зазоре в области расположения камер и питающих каналов для заданных параметров работы уплотнения (частота вращения ротора, давления затворного газа и уплотняемой сред). Достоверность полученных экспериментальных результатов обусловлена многократным повторением экспериментов, тестированием измерительной аппаратуры перед каждым экспериментом, визуализацией происходящих процессов, а также удовлетворительной погрешностью измерения физических параметров.

Научная новизна работы определяется совокупностью полученных результатов: разработана и реализована математическая модель динамики функционирования газозатворного импульсного торцового уплотнения, основанная на совместном решении уравнений движения аксиально-подвижного торцового кольца и баланса расходов затворного газа через рабочий зазор, позволяющая определять условия устойчивости, амплитуднои фазочастотные характеристики уплотнениясформировано условие устойчивости бесконтактного режима функционирования уплотнения с использованием критерия Гурвицаэкспериментально выявлено и теоретически обосновано влияние количества камер и питающих каналов на эффективность работы уплотнения. Доказано, что выбором числа камер и каналов можно задать чувствительность уплотнения к изменению эксплуатационных параметров, а также диапазон гарантированного затворного функционированияразработана математическая модель рабочего процесса, основанная на совместном решении уравнения состояния, баланса расходов и уравнении Рейнольдса, которая позволяет определять поле давления затворного газа в торцовом зазоре, саму величину торцового зазора, расход затворного газа и статическую жёсткость уплотнения.

Практическое значение полученных результатов: создана инженерная методика расчета параметров импульсного газозатворного уплотнения, позволяющая проектировать новые ГзИТУ, удовлетворяющие требуемым рабочим характеристикам (расход затворного газа, давление затворного газа в зазоре, величина торцового зазора) — разработан алгоритм и создана система компьютерного моделирования, позволяющая проводить численные исследования распределения давления газа в зазоре ГзИТУ, не прибегая к натурным экспериментамразработано оригинальное стендовое и измерительное оборудование, позволяющие проводить исследования торцовых уплотнений диаметром до 150 мм на частотах вращения приводного вала от 0 до 3000 об/мин и давлениях от 0 до 2 МПа на воде и воздухе, определять расходные характеристики, а также давление в любой точке рабочего зазора уплотнения. результаты диссертационной работы использованы в проекте опытного образца насосного агрегата АЦНС 25−2200, разработанного Сумским ООО Hi 111 «Насостехкомплект» (Украина, г. Сумы).

— рекомендации по расчёту основных физических и геометрических параметров газозатоворного импульсного торцового уплотнения используются для оценки статических и эксплуатационных характеристик торцевых уплотнений центробежных насосов и компрессоров, создаваемых в СКБ ПАО «Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе» (Украина, г. Сумы).

Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают поэтапные результаты, полученные при выполнении диссертации и написанные в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [107, 109, 117] - построение математической модели, разработка компьютерной программыв работах [108, 114] - составление плана экспериментальных исследований, проведение эксперимента, анализ результатовв работе [111] - сбор материалов, анализ результатов отечественных и зарубежных исследований.

Постановка цели и задач работы, а также выдвижение идей выполнены соискателем совместно с научным руководителем. Обзор литературных источников, разработка физической и математической моделей рабочего процесса ГзИТУ, изготовление экспериментального стенда и компьютеризированной системы измерения давления, создание программного обеспечения для системы измерения давления в зазоре, проведение экспериментов и обработка полученных экспериментальных данных, а также разработка алгоритмов и проведение аналитических расчётов, написание и оформление докладов и статей проведены соискателем в большей части самостоятельно.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и были доложены на:

VII и XI международных конференциях «Гидроаэромеханика в инженерной практике» (Украина, г. Киев, 2002,2006 г. г.);

X и XI международных научно-технических конференции «Герметичность, вибронадёжность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования „ГЕРВИКОН 2002“ ,» ГЕРВИКОН 2005″ (Украина, г. Сумы, 2002, 2005 г. г.);

Научно-технической конференции, посвящённой 100-летнему юбилею профессора А. А. Ломакина «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Россия, Санкт-Петербург, 2003 г.).

На IV Международном научном симпозиуме «Ударно-виброционные системы, машины и технологии» (Россия, г. Орёл, 2010 г.);

На X Международной научно-технической конференции «Вибрация 2012. Управляемые вибрационные технологии и машины» (Россия, г. Курск, 2012 г.)

На ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Сумского государственного университета (Украина, г. Сумы) с 2000 по 2008 годы.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ (из них 3 в рецензируемых научных журналах, утвержденных перечнем ВАК России).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 120 наименований. Содержит 142 страницы машинописного текста, 60 рисунков, 1 таблицу.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Проведен обзор и анализ патентной и научно-технической литературы. Рассмотрены наиболее распространенные и новейшие схемы уплотнительных систем, принципы их работы, конструкции, сферы применения, их достоинства и недостатки. Анализ тенденций развития современной уплотнительной техники показал, что на сегодняшний день неотъемлемой чертой современной центробежной машины (будь то насос, перекачивающий агрессивную среду, или компрессор, нагнетающий природный газ) является наличие в ней бесконтактного уплотнения на газовой смазке. Кроме того, по оценкам специалистов в ближайшем будущем большинство насосов и компрессоров будут использовать в своем составе именно газовые уплотнения. Это объясняется высоким ресурсом подобных уплотнительных систем, сравнительно простым и, следовательно, надежным устройством подгодовки и подачи затворного газа, снижением потерь мощности и генерации тепла в области уплотнения, возможностью использования уплотнения в широком температурном диапазоне эксплуатации и, что не маловажно, сведением к минимуму загрязнения окружающей среды.

Среди бесконтактных уплотнений особое место занимает газозатворное торцовое импульсное уплотнение, которое благодаря импульсному принципу формирования и поддерживания непрерывного слоя затворного газа в торцовом зазоре обладает уникальными свойствами, выгодно отличающими его от других систем газовых уплотнений:

— уплотнение обладает свойством саморегулирования торцового зазора;

— величина торцового зазора может быть достаточно тонко отрегулирована во время работы уплотнения путем задания величины разности между уплотняемым и затворным давлениями (особенно это актуально во время старта и остановки вращения ротора, когда уплотнение работает не на расчётном режиме);

— конструкция уплотнения проста и не содержит нетехнологичных и трудновыполнимых конструктивных элементов;

— уплотнение мало чувствительно к колебаниям перепада давлений между затворной и уплотняемой средами (что зачастую происходит в условиях промышленной эксплуатации).

Опираясь на сказанное выше, можно сделать однозначный вывод: это уплотнения является реальной альтернативой новейшим зарубежным уплотнениям, не уступает, а в некоторых случаях и превосходит их по эксплуатационным и технологическим параметрам.

2. Разработана физическая модель работы газового импульсного торцового уплотнения. Математический анализ модели позволяет раскрыть механизм функционирования уплотнения данного типа, условия его работоспособности. Рассматривая узел уплотнения как систему автоматического регулирования, на основе предложенной математической модели найдены зависимости для определения таких основных статических и динамических характеристик рассматриваемого уплотнения, как: рабочий диапазон давлений, статическая и динамическая жёсткости, амплитудная и фазовая частотные характеристики, условие динамической устойчивости, частотные передаточные функции, расходная и статическая характеристика.

3. На разработанном стенде и системе измерений проведены комплексные исследования газозатворного импульсного торцового уплотнения с разной геометрией уплотнительных колец и с различным количеством замкнутых камер и питающих каналов на торцовых поверхностях колец.

Для проверки адекватности разработанной математической модели проведены две серии натурных экспериментов: а). Исследованы расходные характеристики уплотнения стандартной конструкции (кольцо с камерами имеет осевую подвижность и вращается, а кольцо с питателями зафиксировано от проворота и осевых смещений в корпусной детали.) — б). Впервые получены и исследованы эпюры давлений в камерах в и промежутке между камерами газозатворного импульсного уплотнения (для этой цели была разработана особая конструкция уплотнения, имеющая вращающееся подвижное в осевом направлении кольцо с питателями (подвод затворной среды осуществлялся через специальный полый вал) и неподвижное кольцо с камерами, а также создан уникальный исследовательский комплекс, позволяющий оперативно собирать информацию о параметрах эксплуатации и тут же обрабатывать их на персональном компьютере).

Полученные результаты позволили выявить характер влияния режимных параметров и конструктивных особенностей колец торцовой пары на работоспособность уплотнениясвязь между расходной характеристикой и количеством камер и питателей на торцах колецхарактер распределения давления в зазоре в зависимости от условий работы и геометрии уплотнительных колец.

Показано, что расходная характеристика и жёсткость слоя газа в зазоре ГзИТУ могут быть качественно улучшены без изменения размеров торцовых колец путём выбора количества камер и питателей на торцовых поверхностях уплотнительных колец.

4. Разработан алгоритм численного решения уравнения движения газа в тонком слое, образованном вращающимися уплотнительными кольцами газозатворного импульсного торцового уплотнения (уравнение Рейнольдса для установившегося процесса), с помощью которого впервые стало возможным определение поля давления, действующего в торцовом зазоре, для ряда условий работы. Это позволило не только находить значение давления в любой точке торцового зазора и несущую способность слоя газа, но и не прибегая к натурным экспериментам определить диапазон работы уплотнения как затворного.

5. Разработана методика расчета характеристик ГзИТУ, позволяющая определять статические и динамические характеристики уплотнения при различных сочетаниях эксплуатационных параметров. Сравнение расчетных и экспериментальных расходных характеристик показали их удовлетворительное совпадение.

Таким образом, в востребованной на сегодня области эксплуатации (давления в диапазоне 0,1 — 0,6 МПа, частота вращения ротора 0 — 3000 об/мин), в случае, когда деформация уплотнительных колец невелика (т.е. когда величиной изменения зазора в окружном и радиальном направлении можно пренебречь), для установившегося течения газа можно использовать предложенный алгоритм численного решения уравнения Рейнольдса для определения давления в зазоре ГзИТУ и моделирования работы уплотнения.

Дальнейшими направлениями в исследовании газозатворных уплотнений, использующих импульсный принцип работы, следует считать адаптацию полученного численного решения уравнения Рейнольдса к случаю течения газа в неплоском зазоре т. е. с учётом деформаций уплотнительных колец под действием высоких давлений и скоростей.