Дефекты ротора с рабочими колесами в потоке жидкости и газа

Ротор с рабочими колесами является основным узлом многих типов машин, таких как центробежные и осевые насосы и вентиляторы, нагнетатели и компрессоры, турбины и ряд других. К дефектам рабочего колеса в потоке относятся не только дефекты собственно колеса, но и другие дефекты, изменяющие характеристики и свойства потока.

К основным дефектам ротора с рабочим колесом (колесами) в потоке газа (пара) можно отнести:

• неуравновешенность рабочего колеса,

• несоосность рабочего колеса и вала, перекос рабочего колеса,

• неоднородность потока на входе в рабочее колесо, нарушения формы зазора между рабочим колесом и корпусом,

• нарушения формы обтекаемой поверхности отдельных лопаток,

• повышенная турбулентность потока в зоне рабочего колеса,

• автоколебания ротора с рабочим колесом в потоке,

• дефекты муфт, соединяющих роторы насоса и приводного двигателя.

В насосах и гидротурбинах, рабочее колесо которых вращается в потоке жидкости, к указанным дефектам добавляется кавитация перекачиваемой жидкости, приводящая к

ускоренному эрозионному износу обтекаемых поверхностей.

Неуравновешенность рабочего колеса приводит к увеличению центробежных сил, действующих на ротор, и вибрация машины на частоте вращения ротора.

Несоосность рабочего колеса и вала приводит к росту переменной составляющей давления потока и вибрации машины с частотой вращения колеса, а его перекос - к росту переменной составляющей давления потока и вибрации машины с двойной частотой вращения рабочего колеса. В насосах переменная составляющая давления дополнительно возбуждает радиальную вибрацию трубопроводов. Кроме того, при несоосности колеса и вала один раз за оборот, а при перекосе - два раза за оборот вала, зазор между лопастями рабочего колеса и неподвижными частями корпуса достигает минимума, а турбулентность потока - максимума, т.е. появляется модуляция высокочастотной вибрации машины, возбуждаемая случайными пульсациями давления газа (жидкости) в турбулентном потоке.

Неоднородность потока на входе в рабочее колесо приводит к появлению ударных нагрузок на каждую лопатку (лопасть) в момент, когда она входит в зону потока с максимальной плотностью и, как следствие, к росту лопаточной (лопастной) вибрации машины. Причинами повышенной неоднородности потока в зоне рабочего колеса чаще всего становятся дефекты направляющего аппарата или нарушения формы зазора между рабочим колесом и корпусом вследствие смещения оси вращения рабочего колеса относительно оси корпуса (статический эксцентриситет зазора).

Нарушения формы обтекаемой поверхности отдельных лопаток (лопастей), например, при их износе или деформации, приводит к изменению нагрузки на лопатку, а следовательно к появлению вращающейся составляющей сил давления на рабочее колесо в радиальном и осевом направлениях. Вращающаяся сила давления в радиальном направлении увеличивает вибрацию вала с рабочим колесом на частоте их вращения. Этот эффект часто называют аэродинамической (гидродинамической) неуравновешенностью рабочего колеса. Сила, действующая в горизонтальном направлении, является источником переменного давления потока, которое, если это поток несжимаемой жидкости, увеличивает радиальную вибрацию трубопровода

Повышенная турбулентность потока в зоне рабочего колеса, вызываемая чаще всего засорением входного воздуховода (трубопровода) или использованием агрегата в неоптимальных режимах работы, увеличивает высокочастотную составляющую вибрации корпуса и, как правило, приводит к ее модуляции лопаточной (лопастной) частотой. В насосах повышенная турбулентность потока является основной причиной кавитации в жидкости, при которой рост высокочастотной вибрации насоса будет существенно более высоким, в 10-100 раз по сравнению с насосами, работающими в докавитационных режимах.

Процесс вращения рабочего колеса в потоке не является устойчивым, поэтому при росте зазора в подшипниках или при дефектах системы подачи в подшипники скольжения принудительной смазки часто возникают автоколебания вала с рабочим колесом в подшипниках. Частота автоколебаний ротора с рабочими колесами в потоке газа обычно близка к половине частоты его вращения, иногда точно совпадая с ней. В насосах частота автоколебаний может быть существенно меньше половины частоты вращения насоса, вплоть до частот в 20-25 % от частоты вращения. Автоколебания являются источником вибрации на частоте автоколебаний и ее гармониках, а также модулируют по амплитуде как низкочастотную вибрацию вала с рабочим колесом, так и высокочастотную вибрацию, возбуждаемую силами трения в подшипниках и пульсациями давления в потоке.

Дефекты соединительных муфт на входе или выходе машин с рабочими колесами приводят к появлению импульсных нагрузок на подшипники соединяемых муфтой валов несколько раз за оборот вала, модулируя силы трения в подшипниках и возбуждаемую ими высокочастотную вибрацию. Импульсные составляющие, как правило, появляются и в крутящем моменте, модулируя ток двигателя. Упругие муфты особенно пластинчатые, даже при незначительных дефектах могут стать источником автоколебаний ротора с рабочими колесами.