Кузнецов Э.Г.

Сумский государственный университет, Украина

Динамика газозатворных импульсных торцовых уплотнений гидромашин

В настоящее время в насосном оборудовании химических производств широко используются двойные торцовые уплотнения на жидкостной смазке, однако за последнее десятилетие 20-го века ведущие зарубежные компании разработали целый ряд конструкций двойных газовых торцовых уплотнений для насосов и аппаратов химических производств, которые по своим эксплуатационным характеристикам значительно превосходят уплотнения на жидкостной смазке. Подавляющее большинство этих уплотнений используют газодинамический принцип действия, т.е. на уплотнительных поясках их колец выполнены спиральные, логарифмические или иные микроканавки, которые при вращении создают газодинамическую подъёмную силу, обеспечивающую бесконтактный режим работы. Мало в чём им уступает разработанное отечественными специалистами газозатворное импульсное торцовое уплотнение (ГзИТУ). Оно не содержит на торцовых поверхностях

микроканавок, а пленка газовой смазки в нём создается и поддерживается с помощью специальных питающих каналов, подающих в торцовый зазор затворный газ, и замкнутых камер, аккумулирующих газ (рис. 1). В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования поля давления в рабочем зазоре уплотнения.

Цель экспериментальных исследований заключается в изучении динамики изменения поля давления затворного газа в торцовом зазоре ГзИТУ. В ходе подготовки к экспериментальным исследованиям в лаборатории герметичности и вибронадёжности СумГУ были разработаны и изготовлены специальная измерительная система и экспериментальный стенд. С их помощью проведены исследования экспериментальной конструкции ГзИТУ, в котором затворный газ подавался во вращающееся уплотнительное кольцо. Исследования распределения давления в торцовом зазоре ГзИТУ заключались в измерении давления в ключевых точках торцовой щели – в камерах и в промежутках между камерами.

В результате исследований изучено влияние режимных параметров на изменение эпюры давления затворного газа в камерах и между соседними камерами. Данные исследований показывают, что при неизменной величине перепада между затворным и уплотняемым давлениями с ростом частоты или величины уплотняемого давления амплитуда падений давления затворного газа в камере и в пространстве между камерами (рис. 2) уменьшается. Увеличение перепада давлений приводит к увеличению амплитуды давления в камерах и между камерами, что может стать причиной прорыва уплотняемой среды через торцовый зазор. Применение кольца с меньшим количеством камер позволяет уменьшить амплитуду давления в камерах при одинаковых рабочих параметрах.

Полученные экспериментальные данные показывают, что при достаточно большом количестве камер (т.е. когда окружное расстояние между двумя соседними камерами мало) работа ГзИТУ хорошо согласуется с положениями традиционной расчётной модели, что и подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных данных с расчётными. При использовании в уплотнении колец с уменьшенным количеством камер (когда расстояние между отдельными камерами значительно больше окружной протяжённости самих камер) в принятой математической модели импульсных торцовых уплотнений необходимо учитывать окружные течения газа и распределение давления в пространстве между камерами.

Моделирование распределения поля давления в рабочем зазоре уплотнения базируется на физической модели рабочего процесса ГзИТУ и численном расчёте поля давления в торцовой щели.

Для нахождения распределения давления затворного газа в торцовом зазоре рассматривается уравнение смазки Рейнольдса:

где – толщина газового слоя; – скорость движения одной из поверхностей, ограничивающих смазочный слой.

Решение этого уравнения выполнено современным численным методом граничных элементов. Согласно сути применяемого метода исходная краевая задача для уравнения Пуассона в частных производных приводится к интегральному уравнению по границе исследуемой области. В общем виде интегральное уравнение для области с границей имеет вид:

Здесь – произвольная точка на границе области; – функция, учитывающая особенности, возникающие при интегрировании по границе области; – фундаментальное решение уравнения Лапласа для двумерного случая; ; – расстояние между точками и на границе области; .

В качестве области для определения поля давления смазки выбирается участок торцового зазора ГзИТУ ограниченный наружным и внутренним радиусами уплотнительного пояска и радиальными секущими, проходящими через середины соседних камер. В ходе решения граница участка (исследуемой области) разбивается на отдельные элементы, на каждом из которых задаются граничные условия типа Дирихле – значение давления . Численное интегрирование по границе выполняется методом механических квадратур Гаусса.

Визуализация результатов моделирования поля давления в рабочем зазоре ГзИТУ для трёх различных режимов работы представлена на рисунке 3. Данная методика позволяет:

а). находить несущую способность газовой плёнки в рабочем зазоре ГзИТУ и определять основные характеристики уплотнения;

б). проводить численные исследования распределения давления газа в зазоре ГзИТУ с целью проверки работы уплотнения с точки зрения проникновения уплотняемой среды через участки торцового зазора между отдельными камерами, не прибегая к натурным экспериментам.

Интервал частот вращения вала, в котором предложенная методика проверена и дает приемлемые результаты расчетов, находится в границах до 3000 об/мин; диапазон давлений затворной и уплотняемой сред – до 0,6 МПа.