Экспериментальное исследование виброактивности уплотнений валов турбомашин

Опыт эксплуатации и доводки высоконагруженных компрессоров, насосов и паровых турбин свидетельствует о существенном влиянии бесконтактных уплотнений на динамическое поведение ротора. Одним из наиболее опасных проявлений этого эффекта являются автоколебания ротора в уплотнениях, амплитуда которых может достичь величин, равных зазору в уплотнении, й повлечь отказы узла, аварии агрегата. Причиной автоколебаний являются нелинейные характеристики упругих свойств связи системы ротор — уплотнение, что затрудняет теоретические исследования колебаний системы.
В настоящее время изучена неустойчивость, связанная с действием гидродинамических сил в щелевых уплотнениях насосов [1], и проанализировано действие в лабиринтных уплотнениях паровых турбин [2, 3], Надежного аппарата для расчета колебаний таких сложных систем не существует, и, следовательно, предсказание опасных режимов и отыскание мер по их устранению затруднено. Поэтому необходимо накапливать экспериментальный материал.
В статье приведены результаты экспериментального научного влияния различных типов бесконтактных уплотнений (щелевых, лабиринтных, сотовых и винтовых) на возникновение и характер автоколебаний ротора в жестких опорах. Основные геометрические характеристики испытанных вариантов уплотнений приведены в таблице.
Испытания проводили на специальном высокооборотном стенде, особенностью которого является независимая подвеска корпусов подшипников и уплотнений, что исключало их взаимное влияние при изучении колебаний. Вал устанавливали в шарикоподшипниках, чтобы выделить влияние на поведение ротора только уплотнений. Для разгрузки вала от осевых усилий устанавливали по два идентичных уплотнительных кольца. В камеру между ними подводили уплотняемую среду (воздух давлением до 1 МПа или масло турбинное ТКП-30 давлением до 10 МПа). Индуктивные датчики перемещений, закрепленные на корпусе уплотнений, регистрировали вибрацию вала в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Каждый опыт проводили при фиксированном значении уплотняемого давления, плавно изменяя частоту вращения до 2000 с-1, что соответствовало окружной скорости вала до 70 м/с. На отдельных режимах осуществляли запись колебаний вала и сигнала отметчика оборотов на светочувствительную бумагу, измеряли расход утечки среды, давление и температуру на входе и выходе из уплотнения и другие параметры.