давление на площадь осевое усилие (6 видео)

Содержание

Осевая сила насоса
Определение осевой силы
Расчет осевой силы
3 способа уравновесить осевую силу
Осевое давление и способы его разгрузки
Осевые усилия, действующие на ротор турбины
🔥 Видео

Видео:Давление. Единицы давления | Физика 7 класс #25 | ИнфоурокСкачать

Осевая сила насоса

Осевая сила, действующая на рабочее колесо насоса представляет собой равнодействующую сил, действующих на рабочее колесо и направлена она в сторону, соответствующую направлению действия большей из этих сил. А какие именно силы влияют на формирование осевой силы мы разберем в этой статье.

При работе центробежного насоса рабочее колесо вращается в пространстве, заполненном перекачиваемой жидкостью. Поверхности дисков рабочего колеса подвергаются действию различных сил, которые, как показывает опыт, не уравновешиваются.

Содержание статьи

Кроме того, ротор насоса находится в состоянии установившегося вращательного движения, тогда для того чтобы уравновесить все силы действующие на него необходимо провести ряд мероприятий, влияющих на конструкцию насоса.

Видео:Давление. Единицы давленияСкачать

Определение осевой силы

Для определения сил, которые влияют на установление равновесия ротора, необходимо определить силы, которые действуют на рабочее колесо. Эти силы разделяются на:
массовые – сила тяжести и сила инерции
поверхностные – взаимодействие поверхности колеса с потоком жидкости.

При заполнении насоса жидкостью вес колеса разгружается за счет гидростатических давлений по поверхности колеса, которые согласно закону Архимеда равны весу вытесненной воды и направлены вверх.

Осевое действие силы инерции сводится к нулю при помощи динамической балансировки на специальном станке. Динамическая балансировка обычно осуществляется для ротора насоса в целом.

Поэтому рассмотрим действие на рабочее колесо центробежного насоса только поверхностных сил, которые собственно и определяют динамические условия его работы.

Расчет осевой силы

Силы давления на рабочее колесо, вращающееся в корпусе насоса, заполненном жидкостью, могут быть найдены из следующих соображений.

Давление р₁ при входе в насос является начальным давлением насоса. Это давление действует на площадь кольцевого сечения, которая определяется по формуле

где D₁ – внешний диаметр всасывающей полости рабочего колеса;
d – диаметр вала.

Следовательно, сила давления жидкости на рабочее колесо в области всасывания составит

В конструкции центробежных насосов всегда предусматривается тщательное определение области всасывания с начальным давлением p₁ от области нагнетания с конечным давлением p₂. Такое отделение осуществляется с помощью уплотнительных колец. Зазор между внутреней поверхностью уплотнительного кольца и внешней поверхностью рабочего колеса по диаметру входа должно быть небольшим, порядка 0,15 – 0,2 миллиметров.

Выход жидкости из рабочего колеса осуществляется свободно, зачастую при значительном расстоянии между выходным диаметром D₂ рабочего колеса и внутренним диаметром направляющего аппарата или соответствующей кромкой приемного отверстия нагнетательного патрубка.

Поэтому давление p₂ действует на всю площадь F₂ заднего диска рабочего колеса, определяемую величиной

и на площадь кольцевого покрывного диска

Причем, осевое действие сил, обусловленных давлением p₂ , действующих на обе стороны рабочего колеса, по направлению взаимно противоположны.

Определим силы давления по обе стороны рабочего колеса, которые обусловлены давлением нагнетания p₂ :

Где Р₂ – полная сила давления на всю площадь заднего диска рабочего колеса;
Р₃ – полная сила давления на кольцевой покрывной диск рабочего колеса.

Осевая сила Pос , очевидно, является равнодействующей перечисленных сил Р₁, Р₂ и Р₃, причем, направление её соответствует направлению большей силы:

или после приведения подобных членов получим

Таким образом, осевая сила определяется произведением разности между конечным давлением, которое создает насос (р₂), и начальным давлением на всасывании р₁, умноженной на площадь живого сечения потока при входе в рабочее колесо. Так как р₂ > р₁, то осевая сила направлена в сторону всасывания.

3 способа уравновесить осевую силу

Осевая сила стремится сдвинуть рабочее колесо вместе с валом в сторону всасывающего патрубка. Если это усилие окажется достаточно большим, оно приведет к поломке подшипников, истиранию в первую очередь уплотнительных колец, а затем и ко взаимному истиранию корпуса насоса и рабочего колеса.

Как снизить влияние осевой силы.

Чтобы предотвратить отрицательное влияние осевой силы, которому сопутствует увеличение расхода мощности, потребляемой насосом и падение его КПД, применяют следующие способы.

1. Установка упорных подшипников скольжения.

Такой способ применяют только при очень небольшой осевой силе как вспомогательную меру.

2. Сверление разгрузочных отверстий.

Для уравновешивания сил давления в центральной части рабочего колеса сверлят отверстия 1 в заднем диске рабочего колеса. Таких разгрузочных отверстий делает для большинства случаев около четырех штук. С их помощью выравнивается давление жидкости с обеих сторон рабочего колеса. Чтобы предотвратить перетекание жидкости через эти отверстия из области высокого давления на нагнетании в область низкого давления на всасывании, делают кольцевые выступы 2 на наружной стороне заднего диска и устанавливают охватывающие его с небольшим зазором уплотнительные кольца 3 в корпусе насоса.

Такой способ уравновешивания осевой силы как сверление отверстий считается наиболее простым и распространенным.

3. Применение гидравлического приспособления с разгрузочным диском.

Если осевая сила достигает больших значений, например, в высоконапорных насосах, то сверление разгрузочных отверстий в центральной части рабочего колеса оказывается недостаточно. В этом случае на нагнетании насоса монтируется гидравлическое приспособление, с помощью которого создается усилие на ротор насоса, равное осевому, но противоположное ему по направлению.

При соответствующих размерах такого гидравлического разгрузочного диска, осевая сила может быть полностью уравновешена.

Уравновешивание осевой силы является первым шагом при испытании нового насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

В заключении хочется отметить, что уравновешиванию осевой силы и исключению её отрицательного влияния отводится большое время при проведении производственных испытаний насоса. Современный насосы конструируются, а затем доводятся на испытательных стендах таким образом, чтобы свести влияние осевой силы к минимуму.

Видео:Урок 42 (осн). Давление. Единицы давленияСкачать

Осевое давление и способы его разгрузки

В насосах с односторонним входом жидкости во время их работы возникает осевое гидравлическое давление, которое стремится сдвинуть ротор насоса (вал с насаженными на него колесами) в сторону, обратную направлению движения жидкости, вступающей в колесо.

На каждое колесо действуют две силы (Рис. 22): направленная справа налево от неуравновешенного давления на ту часть задней стенки колеса, которая расположена против его входного отверстия (так как давление всегда меньше, чем ),и , направленная слева направо и вызываемая отклонением потока жидкости из осевого в радиальное направление при входе в рабочее колесо. Результирующая сила называется осевым усилием. Его величина будет тем больше, чем больше диаметр входа ,чем больше разность давлений число последовательно работающих колес.

Уравновешивание осевого усилия в насосах осуществляется:

а) двухсторонним впуском жидкости в колесо, а в случае многоколесных насосов— соответствующим групповым расположением колес на валу;

б) сверлением отверстий О в задней стенке колеса, благодаря которому несколько уменьшается разность усилии, действующих на внешнюю и внутреннюю стенки рабочего колеса; в этом случае колесо имеет уплотнения с двух сторон (Рис. 24).

Для уравновешивания сил давления в центральной части рабочего колеса сверлят отверстия (рис. 25, б) 1 в заднем диске рабочего колеса. Таких разгрузочных отверстий может быть чаще всего четыре. С их помощью выравнивается давление жидкости с обеих сторон рабочего колеса. Чтобы предотвратить перетекание жидкости через эти отверстия из области высокого давления на нагнетании в область низкого давления на всасывании, делают кольцевые выступы 2 на наружной стороне заднего диска и устанавливают охватывающие его с небольшим зазором уплотнительные кольца 3 в корпусе насоса.

Сверление отверстий в центральной части рабочего колеса как метод уравновешивания осевого давления является наиболее простым и распространенным.

в) устройством гидравлической пяты (рис. 23) у многоступенчатых насосов.

Гидравлическая пята представляет собой диск а, закрепленный на валу насоса за последней ступенью. Действие ее следующее: жидкость из пространства т, пройдя через зазор s, поступает в камеру б,изкоторой через кольцеобразную щель 3 выходит в пространство в, соединяемое или с атмосферой или со всасывающей трубой насоса. Гидравлическое давление в пространстве т стремится передвинуть ротор насоса по направлению стрелки q с другой стороны, жидкость оказывает давление и на диск а, площадь которого соответственно подбирается. Если предположить, что щель 3 уменьшается, т. е. ротор под действием осевого усилия смещается влево, то давление в камере б начнет возрастать ввиду увеличения сопротивления при проходе жидкости через щель 3. В результате этого сила, действующая на диск а по направлению стрелки р (рис. 23), будет также возрастать до тех пор, пока не установится при известной ширине щели 3 равенство сил, действующих по направлению стрелок р и q.

Из указанных способов разгрузки осевого давления первые два не дают полной гарантии от появления случайных осевых давлений при изменении режима работы насоса. Для компенсации этих случайных осевых усилий насосы снабжаются шариковыми пятами, могущими воспринимать давления, направленные в обе стороны.

г) применение гидравлического приспособления с разгрузочным диском.

Если осевые усилия достигают больших значений, например, в высоконапорных многоступенчатых насосах, то сверление разгрузочных отверстий в центральной части рабочих колес оказывается недостаточным. В этих случаях после конечной ступени насоса на нагнетании монтируется гидравлическое приспособление, с помощью которого создается усилие на ротор насоса, равное осевому, но противоположно ему направленное.

На рис. 25,в показана последняя ступень многоступенчатого насоса. На одном валу с рабочим колесом посажен на шпонке разгрузочный диск 2, имеющий уплотнительное кольцо 6 с передней стороны и такое же кольцо 4 с тыльной. Зазоры в этих уплотнительных приспособлениях — минимальные, только для обеспечения жидкостного трення между вращающимися и неподвижными поверхностями.

Разгрузочный диск с уплотнительными приспособлениями монтируется в специальной камере 3, которая разделена на две части диафрагмой с уплотнительным кольцом. Правая часть камеры соединяется со свободной атмосферой при помощи отверстия 5. Если от этого отверстия провести трубку к всасывающей камере насоса, то давление в камере будет практически равно давлению всасывания. В полости насоса за задним диском последнего рабочего колеса, как известно, будет конечное максимальное давление. Это давление действует не только на задний диск рабочего колеса в сторону всасывания (влево), но и на разгрузочный диск (вправо) — в противоположном направлении осевому усилию.

При соответствующих размерах разгрузочного диска, которые могут быть рассчитаны, осевое усилие полностью уравновешивается. Конечно, для этого необходимо, чтобы с внешней (правой) стороны разгрузочного диска было пониженное давление, приближающееся к давлению всасывания или к атмосферному давлению.

д) применение насосов двустороннего всасывания.

Для выравнивания осевого давления применяют насосы двустороннего всасывания, у которых осевое давление вообще отсутствует (рис. 26, а).

В многоступенчатых насосах применяют иногда такую схему установки рабочих колес, при которой всасывающие стороны половины ступеней расположены симметрично, но противоположно по направлению всасывающим сторонам другой половины ступеней (рис. 26, б). Причем, компоновка работы ступеней по обе стороны установки может быть различной.

Видео:Осевые усилияСкачать

Осевые усилия, действующие на ротор турбины

Надежность работы турбины в большой мере зависит от работоспособности упорного подшипника, который воспринимает результирующее осевое усилие, действующее на ротор турбины. Осевое усилие зависит от распределения давления пара по поверхностям ротора. Для определения осевого усилия обычно ротор разделяют на участки. Характерным является участок ротора в пределах одной ступени. Рассмотрим расчет осевого усилия для участка ротора одной из промежуточных ступеней многоступенчатой турбины (рис.58).

От профильной части рабочих лопаток на ротор передается осевое усилие , которое может быть определено по результатам теплового расчета ступени:

Здесь разность давлений зависит от степени реактивности ступени . Чем выше ρ ступеней турбины, тем больше осевое усилие .

Составляющая, связаная с разностью осевых проекций абсолютных скоростей , для чисел , как правило, близка к нулю, и поэтому ею часто пренебрегают.

Вторая составляющая осевого усилия в ступени передается на ротор от кольцевой части полотна диска, расположенной между корневым диаметром и диаметром под диафрагменным уплотнением :

Здесь давление между диафрагмой и диском зависит от соотношения трех расходов: диафрагменной протечки , коневой протечки и протечки через разгрузочные отверстия . Разность давлений пропорциональна разности давлений перед и за лопатками . Значение k зависит от величины расходов протечек и определяется из баланса расходов.

Рисунок 58 — К расчету осевого усилия в ступени турбины: а — схема проточной части активной ступени; б — схема диафрагменного уплотнения

При определении расходов , , в соответствующие формулы входят коэффициенты расхода , , , а также площади зазоров в диафрагменном и корневом уплотнениях и и площадь разгрузочных отверстий . От значений этих коэффициентов и размеров площадей существенно зависит давление перед диском . Если, например, при эксплуатации турбины увеличивается зазор в диафрагменном уплотнении (износ уплотнительных гребешков при задеваниях ротора о статор), то увеличивается протечка и, соответственно, растет давление перед диском и осевое усилие на полотно диска.

Разгрузочные отверстия позволяют снизить перепад давления на полотно диска по сравнению с перепадом на рабочие лопатки . Хорошее скругление входных кромок разгрузочных отверстий увеличивает коэффициент расхода и снижает разность . В дисках последних ступеней, где абсолютные значения осевых усилий невелики, а механические напряжения в дисках высокие, разгрузочных отверстий, как правило, не выполняют, чтобы не создавать концентраций механических напряжений в дисках.

Третья составляющая осевого усилия в ступени действует на уступ ротора между диаметрами соседних диафрагменных уплотнений

Полное осевое усилие, действующее на ротор, находится суммированием всех составляющих в каждой ступени, а также усилий, действующих на уступы ротора, расположенные вне проточной части ступени,

где i – номер составляющей осевого усилия.

Для уменьшения осевого усилия , передаваемого на упорный подшипник, применяют так называемый разгрузочный поршень, которым является первый отсек переднего концевого уплотнения с увеличенным диаметром уплотнительных щелей (рис.59).

Рисунок 59 — Многоступенчатая турбина активного типа с разгрузочным поршнем (расчетная схема)

На разгрузочном поршне создается усилие, направленное в противоположную сторону по отношению к потоку пара в ступенях турбины, частично или полностью уравновешивающее осевое усилие R:

Усилие , действующее на разгрузочный поршень, определяется перепадом давлений в камерах уплотнения перед и за разгрузочным поршнем и площадью, на которую действует этот перепад давлений. Как правило, в турбинах активного типа разгрузочный поршень имеет небольшой диаметр, в турбинах же реактивного типа, где усилие R очень велико, разгрузочный поршень выполняется большого диаметра, сравнимого с диаметром ступеней турбины.

В конденсационных турбинах без промежуточного перегрева пара уравновешивание осевых усилий производится за счет противоположного направления потоков в соседних цилиндрах (рис.60). При этом, если муфта, соединяющая роторы цилиндров, жесткая, усилие на упорный подшипник равно разности усилий и .

Рисунок 60 — Схема разгрузки упорного подшипника в двухцилиндровой турбине

В турбинах с промежуточным перегревом пара уравновешение этим способом при переходных режимах осуществлять нельзя, так как из-за большой инерционности парового объема трубопроводов промперегрева давление перед ЧСД турбины изменяется не одновременно с изменением давления через ЧВД. Поэтому усилия и , взаимно уравновешиваясь в стационарных режимах работы, могут существенно отличаться друг от друга и создавать, таким образом, при переходных режимах недопустимо большое усилие на упорном подшипнике. По этой причине в турбинах в промежуточным перегревом пара роторы ЧВД и ЧСД должны быть уравновешены каждый индивидуально (в отдельности), например, разгрузочными поршнями в ЧВД и ЧСД или за счет противоположного направления осевых усилий в пределах каждого ротора. При этих условиях как ротор ЧВД, так и ротор ЧСД будут уравновешены в стационарных и переходных режимах. Аналогичный принцип индивидуального уравновешивания осевых усилий роторов используют и для турбин с регулируемыми отборами пара. В турбинах с одним регулируемым отбором пара осевые усилия каждого из роторов зависят от расхода пара в ЧВД и ЧСД. При различных режимах работы турбины не может обеспечиваться взаимное уравновешивание за счет жесткого соединения роторов, так как взаимно уравновешенные при одном соотношении расходов пара и роторы будут взаимно не уравновешены при другом соотношении расхода. В связи с этим роторы ЧВД и ЧСД уравновешиваются индивидуально.

На упорный подшипник турбины могут воздействовать также дополнительные осевые усилия от ротора приводимой машины (электрогенератора, воздуходувки и т.п.). Как правило, эти усилия невелики. Существенное осевое усилие может возникать в кулачковых и пружинных муфтах, соединяющих роторы соседних цилиндров. Эти муфты подвижны в осевом направлении и каждый из соединяемых роторов имеет самостоятельный упорный подшипник. Дополнительное осевое усилие может возникнуть, например, при тепловом расширении ротора и при ограничении подвижности муфты в осевом направлении за счет сил трения в зубцах. В современных мощных турбинах, когда эти дополнительные усилия могут достигать больших значений, используют только жесткие (глухие) муфты.

В процессе эксплуатации осевые усилия в турбине могут изменяться в результате изменения степени реактивности отдельных ступеней или же их групп, изменения протечек пара в диафрагменных и надбандажных уплотнениях и т.д. Изменение степени реактивности ступеней часто является следствием таких причин, как неодинаковая степень заноса солями рабочих и сопловых лопаток (различная относительная толщина отложений в горловых сечениях этих лопаток), повреждение выходных кромок лопаток. Если горловые проходные сечения рабочих лопаток уменьшаются в большей степени, чем соответствующие сечения сопловых, то степень реактивности возрастет.

Изменение осевых усилий может возникнуть в результате больших скоростей перехода с одного режима на другой. При этом быстрое изменение температуры деталей ротора и статора приводит к изменению зазоров в уплотнениях и соответствующему изменению осевых усилий.

Дата добавления: 2014-12-30 ; просмотров: 7052 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ