Введение к работе
Актуальность темы. Торцовые уплотнения являются одним из критических элементов, ограничивающими ресурс и надежность работы тур-бонасосного агрегата. Применение открытого гидродинамического уплотнения в качестве торцевого позволяет значительно повысить ресурс и время безостановочной работы турбонасосных агрегатов. С увеличением частот вращения роторов возрастает и мощность, потребляемая гидродинамическим уплотнением. Особые трудности представляет перекачка низкоки-пящих и близких к кипению жидкостей. Если перекачиваемая жидкость близка к кипению, либо расход её недостаточен для охлаждения гидродинамического уплотнения, происходит закипание жидкости и появление утечек в виде паровой фазы. Одним из способов тепловой защиты является использование для охлаждения жидкости в рабочей полости гидродинамического уплотнения дополнительного расхода рабочей жидкости, подаваемого в полость уплотнения через сверления в диске импеллера.
Применение отверстий в диске гидродинамического уплотнения для охлаждения жидкости в рабочей полости уплотнения имеет ряд недостатков: снижение удерживаемого перепада давления, малая эффективность, увеличение потребляемой мощности, поэтому перспективным является сверление отверстий от торца ступицы гладкой стороны импеллера к периферии лопаточной. Такое расположение отверстий позволяет интенсифицировать отвод тепла от наиболее теплонапряженного участка.
Исследованию гидродинамического уплотнения работающих при малых оборотах ротора посвящено большое количество работ многих авторов. Использование в качестве рабочей среды жидкостей в состоянии близком к кипению, а также увеличение скорости вращения валов турбонасосных агрегатов ставит ряд задач по обеспечению работоспособности открытых гидродинамических уплотнений. Недостаточная изученность влияния конструктивных параметров таких, как сверление отверстий в корпусе и диске отрытых гидродинамических уплотнений, а также выдвигаемые практикой задачи улучшения характеристик высокооборотных турбомашин, повышения их ресурса и надежности определяют необходимость проведенных исследований. Создание математической модели процессов теп-ломассопереноса в полости открытого импеллерного уплотнения, учет влияния отверстий в корпусе и диске импеллерного уплотнения, выполненных с переходом от торца ступицы гладкой стороны диска к периферии лопаточной, на охлаждение жидкости в рабочей полости гидродинамического уплотнения являются актуальной научной и практической задачей.
Настоящая диссертация выполнялась в рамках госбюджетной НИР кафедры нефтегазового оборудования и транспортировки ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках этапа «Разработка и создание серии насосных агрегатов для перекачки горячих нефтепродуктов и перегретой воды» (№ госрегистрации 01.2.007-07564).
Цель исследования - моделирование теплового состояния открытого импеллерного уплотнения с различными вариантами тепловой защиты. Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка трехмерной математической модели процессов тепломассопереноса в полости открытого гидродинамического уплотнения и проведение на её основе численного анализа различных вариантов тепловой защиты.
Установление эмпирических зависимостей на основе экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в полости открытого импеллерного уплотнения.
Совершенствование методов расчета и разработка рекомендаций по проектированию открытых импеллерных уплотнений в условиях максимально возможного удерживаемого перепада давления.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Разработана трехмерная математическая модель процессов тепломассопереноса в полости открытого импеллерного уплотнения и показана её адекватность по величине подогрева рабочей жидкости для условий полного заполнения межлопаточных каналов импеллера.
Построены зависимости безразмерной мощности, удерживаемого перепада давления и подогрева жидкости в полости открытого импеллерного уплотнения от критерия Рейнольдса и относительной величины расхода утечек колеса насоса на основе полученных результатов численного моделирования, учитывающие влияние дополнительно внесенного расхода жидкости и теплового потока при наличии отверстий в корпусе и диске уплотнения.
Разработано модельное устройство открытого гидродинамического уплотнения с наличием перепускных отверстий, позволяющих улучшить отвод тепла из полости открытого гидродинамического уплотнения.
Получены эмпирические зависимости подогрева рабочей жидкости, безразмерных величин мощности и напора от критерия Рейнольдса и относительного расхода утечек колеса насоса, уточняющие известные расчетные соотношения для открытых импеллеров (методика Б.В. Овсянникова и др.) в условиях максимально возможного удерживаемого перепада давления.
Практическая значимость работы:
1. Разработана конструкция бесконтактного уплотнительного устройства с наличием перепускных отверстий, выполненных с переходом от торца ступицы гладкой стороны диска к периферии лопаточной, новизна которого подтверждена патентом на полезную модель.
Результаты численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассопереноса в радиальных гидродинамических уплотнениях могут быть использованы проектными организациями при создании импел-лерных уплотнений турбомашин, предназначенных для перекачивания жидкостей в состоянии потери устойчивости однородности.
Методика расчета и экспериментальные данные гидродинамики и тепломассопереноса при использовании разгрузочных отверстий в гидродинамических радиальных уплотнениях используются в ФГУП «Турбонасос» при создании импеллерных уплотнений турбомашин, предназначенных для перекачивания жидкостей в состоянии, близком к кипению.
Результаты используются в учебном процессе на кафедре «Нефтегазовое оборудование и транспортировка» ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Обоснованность и достоверность результатов исследования
Обоснованность обеспечивается использованием апробированных базовых математических моделей, подходов и допущений, основанных на фундаментальных законах тепломассопереноса, а также современных методов теоретических исследований; достоверность обеспечивается использованием аттестованных измерительных средств, автоматизированных систем регистрации и обработки экспериментальных данных; согласованностью теоретических результатов с собственными экспериментальными данными и данными других авторов.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III, IV, V Международных научно — технических конференциях "Разработка, производство и эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и систем на их основе" (Воронеж, 2005, 2007, 2009); X, XI Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2005, 2006); IV Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006); а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 2005 - 2009 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент на полезную модель. В патенте [3] согласно закону РФ «Об интеллектуальной собственности» каждый автор имеет равные права на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [4, 5] - разработка испытуемой установки и экспериментального стенда; [6] - экспериментальные исследования процессов гидродинамики и тепломассопереноса в гидродинамических уплот-
нениях; [1] - методика проведения эксперимента; [2] - анализ и обобщение опытных данных, разработка инженерной методики.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 128 страницах, содержит 71 рисунок и 5 таблиц.
