СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛОПАСТНЫМИ ЧАСТОТАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ГИДРОМАШИНАХ Российский патент 1994 года по МПК F04D29/66 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в других отраслях машиностроения.

Известен способ управления "лопастными" частотами воздействия гидромашин для борьбы с вибрациями, обусловленными взаимодействием лопаток рабочих органов между собой при обтекании их потоком перекачиваемой жидкости [1 и 2]. Способ основан на том, что в любой гидромашине при обтекании лопаток ее рабочих органов (рабочего колеса и направляющего аппарата) потоком перекачиваемой жидкости возникает так называемая гидродинамическая неуравновешенность, под которой понимается существование возмущающих сил и (или) моментов гидродинамического происхождения, действующих с частотами, кратными числу лопаток рабочего колеса (РК) и (или) направляющего аппарата (НА):
1) при равном числе лопаток РК и НА (Z_r=Z_s=C) на ротор и корпус гидромашины действует только возмущающий крутящий момент M₂(t) с частотой, равной
f_m⁽¹⁾=Cf_r, (1) где f_r - частота вращения ротора (РК);
2) при числе лопаток, имеющих общий множитель (Z_r= μ A, Z_s= μ B, где A и B - целые числа; μ - общий множитель), на ротор и корпус гидромашины действует только возмущающий крутящий момент M_r(t) с частотой, равной
f_m⁽²⁾=Z_rZ_sf_r/μ ; (2)
3) при различных числах лопаток, не имеющих к тому же и общего множителя (Z_r≠Z_s, причем Z_r≠ μA и Z_s≠ μB), на ротор и корпус гидромашины действует возмущающий крутящий момент M_r(t) с частотой, равной
f_m⁽³⁾= Z_rZ_sf_r, (3) и дополнительно - возмущающая сила P(t), действующая на корпус с частотой, равной
f_p^(s)=Z_rf_r (4)
и на ротор с частотой, равной
f_p^(r)=Z_sf_r . (5)
Указанные воздействия приложены в центрах давления каждой физической лопатки рабочего органа, уравновешиваются для каждого рабочего органа и проявляются только при взаимодействии рабочих органов. Центры давления лопаток определяются их геометрическими параметрами.

Изменяя соотношения чисел лопаток рабочих органов, изменяют "лопастные" частоты воздействия согласно формулам (1)-(5).

Однако известному способу [2] свойственен существенный недостаток - весьма ограниченный диапазон возможных сочетаний чисел лопаток рабочих органов, обусловленный малым числом самих лопаток гидромашин и возможностью изменения их в очень узких пределах, например для РК центробежного насоса изменение расчетного числа лопаток лежит в пределах ± 1.

Известен способ управления частотами возмущений, в частности "лопастными" частотами, основанный на изменении чисел лопаток рабочих органов, причем полагается, что возмущения носят случайный характер [3].

Недостаток этого способа управления "лопастными" частотами - необходимость соблюдения постоянства окружного шага расположения лопаток в каждом рабочем органе при ограниченных возможностях изменения абсолютного числа лопаток каждого рабочего органа.

Цель изобретения - расширение пределов изменения абсолютных значений "лопастных" частот воздействия в гидромашинах и улучшение вибрационных характеристик центробежных гидромашин.

Для этого согласно способу управления "лопастными" частотами воздействия в центробежных гидромашинах изменение соотношения чисел лопаток рабочих органов осуществляют созданием в одном или обоих рабочих органах гидромашины из полного или неполного расчетного числа физических лопаток рабочих органов наперед заданных чисел "обобщенных" лопаток, представляющих собой группы из двух и более физических лопаток данного рабочего органа с уменьшенным угловым шагом расположения между собой по сравнению с угловым шагом этих лопаток при их равномерном расположении по окружности, причем величину уменьшенного углового шага физических лопаток в каждой "обобщенной" лопатке и угловой шаг расположения самих "обобщенных" лопаток в каждом рабочем органе определяют из условия равенства нулю суммы статических моментов центров давления всех физических лопаток данного рабочего органа относительно любой оси его симметрии.

На чертеже схематично представлена ступень центробежной гидромашины, имеющая различное число физических лопаток в каждом рабочем органе (Z_r=6, Z_s= 4), но с общим множителем μ = 2, изменение (управление) "лопастными" частотами которой осуществляется согласно описанному способу, поперечный разрез.

Ступень центробежной гидромашины содержит РК 1, имеющее Z_r=6 физических лопаток 2, и НА 3, в котором расположено Z_s= 4 физических лопаток 4 (для упрощения изображения все лопатки рабочих органов выполнены радиальными и для наглядности обозначены двумя линиями в РК и тремя линиями - в НА, причем одна из линий выполнена утолщенной).

Способ управления "лопастными" частотами воздействия в центробежной гидромашине осуществляется следующим образом.

При вращении РК 1 перекачиваемая жидкость обтекает лопатки 2 и 4 рабочих органов, между которыми возникнет взаимодействие, частота которого определяется соотношением чисел физических и "обобщенных" лопаток.

В случае равномерного расположения физических лопаток рабочих органов по окружности (чертеж, а) "лопастная" частота равна
f_m⁽²⁾= 6 ^. 4/2f_r=12 f_r (а).

В случае равномерного расположения физических лопаток по окружности РК и объединения физических лопаток НА в две "обобщенные" лопатки (по две физических лопатки в каждой из них) (чертеж б) "лопастная" частота воздействия равна
f_m⁽²⁾= 6 ^. 2/2f_r=6f _r (б)
В случае равномерного расположения физических лопаток по окружности НА, объединения физических лопаток РК в две "обобщенные" лопатки (по две физических лопатки в каждой из них) и сохранении двух оставшихся физических лопаток "лопастная" частота равна (чертеж. в)
f_m⁽¹⁾=4 f_r . (в)
В случае объединения физических лопаток РК в две "обобщенные" лопатки (по три физических лопатки в каждой из них) при сохранении равномерного расположения физических лопаток по окружности НА (чертеж, 2) "лопастная" частота равна
f_m⁽²⁾=2 ^.4/2f_r=4f _r (г)
В случае создания "обобщенных" лопаток в РК и НА, содержащих по две физических лопатки, т. е. число "обобщенных" лопаток будет равно 3 и 2 соответственно (чертеж, д), действуют следующие "лопастные" частоты
f_m⁽³⁾=3 ^.2 f_r=6fr; (д)
f_p^(r)=2f_r ; f_p^(s)=3 f_r.

При объединении физических лопаток РК в две "обобщенные" лопатки (по три физических лопатки в каждой из них) и сохранении прежнего числа "обобщенных" лопаток НА, как в случае д, "лопастная" частота воздействия равна (чертеж, е)
f_m⁽¹⁾=2f_r (е)
При сохранении числа "обобщенных" лопаток НА равного 2 (по две физических лопатки в каждой из них), создании двух "обобщенных" лопаток (по две физических лопатки в каждой из них) и сохранении оставшихся двух физических лопаток в РК (чертеж , ж) "лопастная" частота равна
f_m⁽²⁾=4 ^. 2/2 f_r=4f_r. (ж)
В случае создания в РК трех "обобщенных" лопаток (по две физических лопатки в каждой из них) и равномерном расположении физических лопаток в НА (чертеж, и) система "лопастных" частот будет следующая:
f_m⁽³⁾=3 ^. 4f_r=12 f_r;
f_p^(r)=4 fr; f_p^(s)=3 f_r. (и)
Для большей наглядности на чертеже каждая группа физических лопаток рабочего органа, составляющая ту или иную "обобщенную" лопатку, объединена знаком ←__→ (двойной стрелкой).

Из приведенных расчетов следует, что при осуществлении способа управления "лопастными" частотами воздействия в центробежных гидромашинах можно менять в широких пределах абсолютные значения "лопастных" частот, за счет изменения соотношения чисел "обобщенных" лопаток, создаваемых в каждом рабочем органе гидромашины.

Выбор той или иной частоты воздействия, а следовательно, и выбор наперед заданного числа "обобщенных" лопаток рабочих органов производится на основе требуемой отстройки "лопастной" частоты воздействия от собственной частоты узла или детали гидромашины (ротора, корпуса, опорных кронштейнов и т. п.). При этом расчетное число физических лопаток каждого рабочего органа остается без изменений, т. е. не происходит ухудшения гидравлических характеристик соответствующих элементов рабочих органов.

Возможность изменения (управления) абсолютных значений "лопастных" частот воздействия означает получение минимальных уровней вибрации на "лопастных" частотах из-за существенной отстройки собственной частоты элемента гидромашины от возможной "лопастной" частоты воздействия. Это повышает надежность центробежной гидромашины и всех узлов, включая фундамент, улучшает условия работы обслуживающего персонала.

Приведенный пример расчета диапазона изменения "лопастных" частот при реализации предлагаемого способа управления свидетельствует о значительном расширении его по сравнению с известными способами.

Сущность изобретения: изменение соотношения чисел лопаток рабочих органов осуществляют соединением в одном или обоих рабочих органах из полного или неполного расчетного числа физических лопаток рабочих органов наперед заданных чисел "обощенных" лопаток, представляющих собой группы из двух и более физических лопаток данного рабочего органа с уменьшенным угловым шагом расположения между собой по сравнению с угловым шагом этих лопаток при их равномерном расположении по окружности. Величину уменьшенного углового шага физических лопаток в каждой "обобщенно" лопатке и угловой шаг самих "обобщенных" лопаток в каждом рабочем органе определяют из условия равенства нулю суммы статических моментов центров давления всех физических лопаток данного рабочего органа относительно любой оси его симметрии. 1 ил.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛОПАСТНЫМИ ЧАСТОТАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ГИДРОМАШИНАХ путем изменения соотношения чисел лопаток рабочих органов, отличающийся тем, что изменение соотношения чисел лопаток рабочих органов осуществляют созданием в одном или обоих рабочих органах гидромашины из полного или неполного расчетного числа физических лопаток рабочих органов наперед заданных чисел "обобщенных" лопаток, представляющих собой группы из двух и более физических лопаток данного рабочего органа с уменьшенным угловым шагом расположения между собой по сравнению с угловым шагом этих лопаток при их равномерном расположении по окружности, причем величину уменьшенного углового шага физических лопаток в каждой "обобщенной" лопатке и угловой шаг самих "обобщенных" лопаток в каждом рабочем органе определяют из условия равенства нулю суммы статических моментов центров давления всех физических лопаток данного рабочего органа относительно любой оси его симметрии.