Загальний підхід до моделювання безконтактних ущільнень та їх вплив на динаміку ротора відцентрової машини

Автор

С. С. Шевченко, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова НАН України (03164, Україна, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15), e-mail: shevchenkoss@nas.gov.ua, ORCID: 0000-0002-5425-9259

Анотація

Існує постійний попит на більш високі параметри обладнання, такі як тиск ущільнювального середовища та швидкість обертання вала. Однак із зростанням параметрів стає важче забезпечити ефективність герметизації. Крім того, системи ущільнення впливають на загальну безпеку експлуатації обладнання, особливо вібраційну. Безконтактні ущільнення розглядаються як гідростатодинамічні опори, які можуть ефективно гасити коливання ротора. Для оцінки впливу систем ущільнення на коливальні характеристики ротора досліджено моделі імпульсних і щілинних ущільнень, моделі системи ущільнення-ротор і системи ротор-авторозвантаження, модель безвального насоса. Отримано аналітичні залежності для розрахунку динамічних характеристик імпульсних ущільнень, гідромеханічних систем ротор-ущільнення та ротор-авторозвантаження, а також безвальних насосів. Ці залежності описують радіально-кутові коливання ротора відцентрової машини в ущільненнях-опорах. Наведено рівняння для розрахунку амплітудно-частотних характеристик. Визначено напрямки підвищення експлуатаційної безпеки відповідального насосного обладнання шляхом цілеспрямованого підвищення жорсткості безконтактних ущільнень, що призводить до підвищення вібраційної стійкості ротора.

Ключові слова: імпульсні ущільнення щілинні ущільнення, авторозвантажувальний пристрій, ущільнення-опори, математична модель, радіально-кутові коливання, частотні характеристики.

Література

1. Марцинковский В. А., Шевченко С. С. (2018). Насосы атомных электростанций: расчет, конструирование, эксплуатация. Сумы: Издательство «Университетская книга», 2018. 472 с.
2. Shevchenko S., Chernov A. Development of pulse mechanical seal calculation methods on the basis of its physical model construction. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. Vol. 3. No. 2 (105). P. 58–69. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.206721.
3. Pavlenko I., Simonovskiy V. I., Demianenko M. M. Dynamic analysis of centrifugal machines rotors supported on ball bearings by combined application of 3D and beam finite element models. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 233. Paper ID 012053. https://doi.org/10.1088/1757-899X/233/1/012053.
4. Симоновский В. И. Оценка коэффициентов математических моделей колебательных систем. Саарбрюккен: ALAP LAMBERT Academic Publishing, 2015. 215 c.
5. Павленко И., Симоновский В., Питель Ю., Демьяненко М. Динамический анализ роторов центробежных машин с комбинированным использованием трехмерных и двухмерных конечно-элементных моделей. Люденшайд: RAM-VERLAG, 2018. 427 c.
6. Ishida Y., Yamamoto T. Linear and nonlinear rotordynamics: A modern treatment with applications, second edition. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012. 355 p. https://doi.org/10.1002/9783527651894.
7. Yashchenko A. S., Rudenko A. A., Simonovskiy V. I., Kozlov O. M. Effect of Bearing Housings on Centrifugal Pump Rotor Dynamics. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 233. Paper ID 012054. https://doi.org/10.1088/1757-899X/233/1/012054.
8. Jin C., Xu Y., Zhou J., Cheng C. Active magnetic bearings stiffness and damping identification from frequency characteristics of control system. Shock and Vibration. 2016. Vol. 2016. Article ID 1067506. https://doi.org/10.1155/2016/1067506.
9. Zhang K., Yang Z. Identification of load categories in rotor system based on vibration analysis. Sensors. 2017. Vol. 17. Iss. 7. Article ID 1676. https://doi.org/10.3390/s17071676.
10. Pozovnyi O., Deineka A., Lisovenko D. Calculation of hydrostatic forces of multi-gap seals and its dependence on shaft displacement. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2020. P. 661–670. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22365-6_66.
11. Pozovnyi O., Zahorulko A., Krmela J., Artyukhov A., Krmelová V. Calculation of the characteristics of the multi-gap seal of the centrifugal pump, in dependence on the chambers’ sizes. Manufacturing Technology. 2020. Vol. 20. Iss. 3. P. 361–367. https://doi.org/10.21062/mft.2020.048.
12. Pavlenko I., Simonovsky V. I., Pitel’ J., Verbovyi A. E., Demianenko M. M. Investigation of critical frequencies of the centrifugal compressor rotor with taking into account stiffness of bearings and seals. Journal of Engineering Sciences. 2017. Vol. 4. Iss. 1. P. C1–C6. https://doi.org/10.21272/jes.2017.4(1).c1.
13. Марцинковский В. А. Щелевые уплотнения: теория и практика. Сумы: Сумской государственный университет, 2005. 416 с.
14. Kundera C., Marcinkowski W. The effect of the annular seal parameters on the dynamics of the rotor system. Int. Journal of Applied Mechanics and Enginerering. 2010. Vol. 15. Iss. 3. P. 719–730.
15. Djaidir B., Hafaifa A., Kouzou A. Faults detection in gas turbine rotor using vibration analysis under varying conditions. Journal of Theoretical and Applied Mechanics. 2017. Vol. 55. No. 2. P. 393–406. https://doi.org/10.15632/jtam-pl.55.2.393.
16. Марцинковский В. А Динамика роторов центробежных машин: монография. Сумы: Сумской государственный университет, 2012. 562 с.
17. Martsynkovskyy V., Zahorulko A., Gudkov S., Mischenkod S. Analysis of buffer impulse seal. Procedia Engineering. 2012. Vol. 39. P. 43–50. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.006.
18. Martsinkovsky V. A., Zhulyov A., Kundera C. Static and dynamics of a pump impeller with a balancing device Part II: Dynamic analysis. International Journal of Applied Mechanics and Engineering. 2014. Vol. 19. Iss. 3. P. 621–631. https://doi.org/10.2478/ijame-2014-0043.
19. Gorovoy S. A. Experimental studies of the pump with self-aligning impeller. Oil and Gas Mechanical Engineering. 2019. No. 2. P. 36–40.
20. Shevchenko S., Shevchenko O., Vynnychuk S. Mathematical modelling of dynamic system rotor-groove seals for the purposes of increasing the vibration reliability of NPP pumps. Nuclear and Radiation Safety. 2021. No. 1 (89). P. 80–87. https://doi.org/10.32918/nrs.2021.1(89).09.

Надійшла до редакції 17.03.2022