Основы рационального конструирования высоконапорных центробежных многоступенчатых насосов энергетических установок

• Автор: Гроховский, Донат Васильевич
• Шифр специальности: 05.08.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 303 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Хотя мне предстоят больше пинков, нежели пенсов, я не откажусь...от своего труда.
Ч.Дарвин. Автобиография.
Одной из проблем современного машиностроения является обеспечение минимальных уровней шума и вибрации работающих машин и механизмов вообще и центробежных многоступенчатых насосов (ЦМН), в частности. Жесткие требования к виброакустическим характеристикам (ВАХ) ЦМН особенно показательны для судовых и корабельных (в меньшей етелени - для стационарных) энергетических установок. Так, согласно СЙж & 1103-73 ("Санитарные нормы вибрации на морских, речных и озерных судах". М.: 1зд-во Минздрава СССР, 1973), на частоте вращения = 50 Гц (частота вращения иеследуемого ЦМН - Д.Г.) уровни вибрации Ь 75 дБ (А = 16 мкм) считаются безусловно вредными; уровни же Ь 71 дБ (А = 12 мкм) считаются вредными при длительном воздействии. Допустимыми считаются уровни вибрации Ц 60 дБ (А * 2,5 мкм), в то время как амплитуды колебаний насосных агрегатов судовых и стационарных установок достигают А = (30...120) мкм, или Ь = (80...92) дБ, то есть превышают допустимые в десятки раз [186, 187.
Однако разработка эффективных средств борьбы с шумом и вибрацией той или иней машины невозможна без точного знания источников вибрации, причин ее возникновения и путей ее распространения из ЦМН в окружающую среду. Естественно, что ликвидация источников вибрационной энергии есть наиболее результативный способ борьбы с вибрациями вообще, но столь радикальное решение зачастую грозит и ликвидацией функционального назначения самой машины: неработащая машина не шумит и не вибрирует.
Поэтому представляется необходимым решить следующую важную научно-техническую проблему, а именно: разработать принципы ра-

щ она явного конструирования малошумного высоконапорного ЦМН, соответствующего заданным экспяуатационнш (техническим) парамет-
мого минимума уровня вибрации на той или иной частоте (чаще всего - на частоте вращения ротора). Решение названной проблемы и посвящена диссертация, в которой установлены источники повышенных уровней вибрации (ПУВ) различной физической природы, получены рациональные соотношения эксплуатационных и конструктивно-из-
же тупанчатом щелевом уплотнении (МЩУ) и др.), исходя из минимума объема (массы) насоса и на основе динамических свойств ротора, и разработан алгоритм расчета параметров рациональной конструкции ЦМН.
Диссертация состоит из 5 глав, введения я заключения. Список литературы насчитывает 311 наименований.
В первой главе излагаются сведения о вредных последствиях воздействия вибрации на человека-оператора и впервые с единых, но не традиционных позиций анализируются особенности ЦМН как источника колебательной энергии; формулируются задачи и цель исследования.
Во второй главе впервые выполнен системный анализ динамического поведения ротора ЦМН на основе учета всех существующих представлений о силах, действующих на ротор насоса со стороны проточной части, и доказана неадекватность динамических моделей ротора реальным конструкциям роторов ЦМН.
В третьей главе впервые с позиций системного подхода рассмотрено влияние конструктивно-технологических факторов (конструкций опор и концевых уплотнений, соотношения чисел лопаток рабочих органов и др.) на динамику ротора и виброактивность ЦМН в
рам (подаче и напору Н) при обеспечении технически доетижи-
меняемых параметров (числа 1 ступеней, длины я диаметра

диаметра на выходе из ра-

цепом. На этой основе показаны причины небаяансяруемостя ЦМН.
В четвертой главе решается проблема минимизации уровней вибрации ЦМН при наличии эксцентриситета соединяемых валов насосного агрегата и оценивается влияние упругой муфты (ее конструкции и абсолютной величины ошибок изготовления ее деталей и монтажа) на виброактивность ЦМН.
В пятой главе на основе впервые установленной взаимосвязи эксплуатационных (заданных) и конструктивно-изменяемых (управляемых) параметров (уравнения ВЭКШ и ВЗУП) излагаются принципы рационального проектирования и алгоритм расчета параметров малошумного (с малой виброактивностью) ЦМН и приводятся примеры проектировочного и поверочного расчетов конкретных конструкций серийных ЦМН.
В диссертации изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, выполненных в 1970...1995 гг., с использованием данных по конструированию и эксплуатации судовых, корабельных и общепромышленных ЦМН, а также обобщен опыт Ленинградского Металлического завода (ЛМЗ, ныне ПО турбостроения, г.Санкт-Петербург), Калужского турбинного завода (КТЗ), Сумского насосостроительного завода (СНЗ, ныне Насосостроительноа объединение им.М.В.Фрунзе, г.Сумы - Украина), завода '’Экономайзер"
(ныне НПО "Пролетарский завод”, г.Санкт-Петербург) по созданию ЦМН различного назначения. В работу также включены результаты исследований ЦМН, выполненные отечественными (ЦНИИ им.акад.А.Н. Крылова, ВНИЙАЭН, ВШМГИ.12Р0МАШ и др.) и зарубежными организациями (насосоетроительные фирмы ”К£>6>" и ” - §рр,
«9acifU famps Md " и " Hebt - США, "SaüäfcZ"
Швейцария и др.).
- 3#
ДМР Ломакина. К сожалению, эта попытка не достигла поставленной цели.
Принципиальное различие обеих ДПР заключается в наличии дополнительного члена в выражении для гидростатической силы д ЛдР Марцинковского, коим учитывается спиральное течение жидкости в МЩУ, не принятое во внимание в ДМР Ломакина. Согласно В.А.Марцинк овск ому, силы, возникающие в ЩУ, могут оказывать различное воздействие на динамику ротора ПШ, в зависимости от соотношения
частоты /- и величины , в связи с чем расчет результирующей с *
силы следует вести по формуле
и-5>
где Р - сила, обусловленная наличием спирального течения в 1УаЦ«У И РЭВНЭЯ
£p(m)lfrS (к! =1.4).
(2.6)
Из Формулы (2.5) следует, что возможно существование усло-м
вияХ > О, которое означает возникновение в МЩУ децентрирующих сил, способствующих, естественно, возникновению ПУВ на частоте f-jv (Укажем, что в [_1бз]цан вывод гидростатической силы на основе общих теорем механики и показано, чт-d эта сила оказывает отрицательное воздействие на динамику ротора; формула для расчета этой силы имеет вид
C-pc«)V.
Правда, авторы jj&s] в примечания указывают, что данное выражение получено для зазоров, на порядок превышающих зазоры в гидростатических подшипниках, к которым относятся ЩУ). Любопытно отметить то, что в дальнейшем jjll и др.]формула (2.5) не упоминает-