Експериментальні та числові дослідження процесів герметизації в нових енерго- та ресурсозберігаючих ущільненнях відцентрових машин

Науковий напрям (галузь) – відповідно до запропонованих напрямів: 
Ключові слова: 
експериментальні дослідження
числові дослідження
сальникові ущільнення
імпульсні ущільнення
Анотація: 
Однією з найбільш важливих і складних проблем сучасного машинобудування є проблема герметизації роторів відцентрових насосів і компресорів. Важливість проблеми обумовлена тим, що витоки через ущільнення призводять до величезних втрат енергії, економічних витрат, а витоки радіоактивних, токсичних, вибухонебезпечних середовищ призводять до забруднення навколишнього середовища і завдають шкоди здоров'ю людини. Складність проблеми герметизації різко зростає із збільшенням робочого тиску і швидкості обертання ротора. Вдалою альтернативою традиційним конструкціям ущільнень є торцеві сальникові та імпульсні ущільнення. Методики розрахунку цих ущільнень мають орієнтовний характер, що пов’язане з складними гідродинамічними процесами, математичний опис яких представляє великі труднощі. Тому створення нових і вдосконалення існуючих ущільнень та дослідження їх процесу герметизації можливе тільки за рахунок багаточисельних експериментальних досліджень та за рахунок використання сучасних розрахункових методів обчислювальної механіки. У результаті виконання проекту за рахунок комп’ютерного моделювання з використанням методів обчислювальної механіки і експериментальних досліджень будуть підвищені робочі характеристики торцевих сальникових ущільнень, які можуть використовуватися для насосів загальнопромислового призначення та імпульсних ущільнень, які можуть використовуватися для високообертових відцентрових машин. Буде проведений гідродинамічний розрахунок нових конструкцій торцевих сальникових ущільнень та проведені експериментальні дослідження, які дозволять встановити ефективність цих ущільнень за рахунок визначення витоків, розподілу гідродинамічного тиску та полів температур в парі тертя. Буде виконано газодинамічний і тепловий розрахунок імпульсних ущільнень та проведені експериментальні дослідження, які дозволять проаналізувати механізм герметизації та перевірити їх працездатність. Отримані результати дозволять сформулювати нові наукові дані про механізм герметизації досліджуваних ущільнень.
Стан проблеми (що зроблено у світі, відкриті проблеми, основні напрямки досліджень за темою, короткий список не авторських : 
Сальникові ущільнення є найбільш розповсюдженим типом ущільнень валів відцентрових насосів загального промислового призначення. Вдалою альтернативою традиційним конструкціям сальникових ущільнень є торцеві сальникові ущільнення, які поєднують у собі принцип дії торцевих механічних і радіальних сальникових ущільнень. До основних переваг торцевих сальникових ущільнень можна віднести відсутність вимог прецизійної обробки пари тертя, обумовлене застосуванням в якості одного з кілець контактної пари податливої сальникової набивки та високу герметичність та довговічність ущільнювального вузла в порівнянні з торцевими механічними ущільненнями. Головним недоліком торцевого сальникового ущільнення є те, що через нерівномірність розподілу контактного тиску по радіусу пари тертя воно є достатньо перевантаженим. У зв’язку з цим необхідно застосовувати відповідні конструктивні заходи з розвантаження пари тертя, забезпечуючи при цьому роботу ущільнення в режимі змішаного змащення з мінімальними коефіцієнтами тертя і мінімальними витоками. Відомі конструкції торцевих сальникових ущільнень з саморегульованим моментом тертя в торцевій парі. Але через ускладнення конструкції саморегульовані торцеві сальникові ущільнення поки не набули поширення. Ще одним недоліком сальникових ущільнень є те, що жодна з існуючих теорій розрахунку не враховує нелінійні фізико-механічні властивості сальникової набивки. Одним із способів розвантаження торцевих сальникових ущільнень є створення додаткового гідродинамічного тиску в парі тертя. Це можливо за рахунок виконання на металевому кільці канавок спеціальної форми, які генерують додатковий гідродинамічний тиск в парі тертя. Запропонований підхід є новим та перспективним для сальникових ущільнень. З огляду науково-технічних джерел відомі конструкції торцевих ущільнень з гідродинамічною активною поверхневою структурою, з багатьма мікроскопічними структурами різного виду, що забезпечують необхідну несучу здатність [1-5]. В цих конструкціях мікроскопічні структури виконуються за допомогою лазерних технологій. Відомий ряд робіт, в яких для створення плівки-змащення між валом і манжетним ущільненням застосовується ефект гідродинамічної несучої здатності [6-11]. У цих конструкціях на контактной поверхні гумової манжети виконані спіральні насічки, які працюють подібно до лопаток робочого колеса відцентрової машини, забезпечуючи зворотне нагнітання ущільнювального середовища. У порівнянні з газодинамічними ущільненнями зі спіральними канавками, які використовуються для ущільнення роторів високообертових компресорів, торцеві імпульсні ущільнення мають значні переваги: вони простіші у виготовленні і більш економічні. Робота торцевого імпульсного ущільнення супроводжується складними нестаціонарними газодинамічними процесами, точне математичне описання яких дуже складне. Складність пов’язана з тим, що необхідно розв’язувати задачу в нестаціонарній постановці для визначення фактичного поля тиску в зазорі запірного імпульсного ущільнення з урахуванням не тільки радіальних, але й окружних потоків та реальних властивостей запірного середовища. Вирішення цієї задачі можливе за рахунок використання комп’ютерного моделювання з використанням числових методів. Це забезпечить точне визначення розподілу тиску і теплові деформації ущільнювальних кілець, а також оптимальні геометричні та енергетичні характеристики, які необхідні для створення надійних ущільнень обертових машин. Використання імпульсних ущільнень для ущільнення роторів високообертових компресорів є перспективним з точки зору підвищення надійності та економічності. Аналіз науково-технічних джерел показав, що в ряді робіт описуються конструкції принцип роботи [12-15], методики розрахунку і експериментальних досліджень одинарних газових безконтактних торцевих ущільнень з газодинамічними канавками для компресорів. Існуючі методики розрахунку, як правило, засновані на числовому вирішенні рівнянь течії рідини газу. Перелік посилань 1. Bo Ruan. Numerical modeling of dynamic sealing behaviors of spiral groove gas face seals // Journal of Tribology. – 2002. – vol. 124. – P. 186–195. 2. Kundera Czesław Problemy uszczelnień zespołow wirujących / Czesław Kundera. – Kielce : Politechnika Świętokrzyska, 2013. – 286 s. 3. Antoszewski B. Hydrodynamiczne uszczelnienie czołowe z powierzchnią ślizgową pokrytą powłoka plazmowa / B. Antoszewski, C. Kundera // Zagadnienia Eksploatacij Maszyn, Zeszyt 1 (81). 1990. – Vol. 25. – S. 133–139. 4. Feldman Y. A hydrostatic laser surface textured gas seal / Y. Feldman, Y. Kligerman, I. Etsion // Tribology Latters, 2006. – № 1. – Vol. 22. – pp. 21–28. 5. Pettersson U. Influence of surface texture on boundary lubricated sliding contacts / U. Pettersson, S. Jacobson // Tribology International, 2003. –Vol. 36. – pp. 857–864. 6. Muller H.K. Concepts of sealing mechanism of rubber lip type rotary shaft seals // Proc. of the 11th BHRA international conference on fluid sealing, Cannes, France. London: Elsevier; 1987. P. 698–709. 7. K. Tonder, R. Salant. Non-leaking lip seals: A roughness effect study // Journal of Tribology, July 1992, vol. 114. P. 595–599. 8. Gorrino A. Theoretical analysis of the pumping effect of rotary hydrodynamic seals with elastomeric lips / A. Gorrino, C. Angulo, J. Canales // Tribology International. – 2007. – Vol. 40. – P. 896-905. 9. Maoui A. Effect of 3D lip deformations on elastohydrodynamic lipseals behavior / A. Maoui, M. Hajjam, D. Bonneau // Tribology International. – 2008. – Vol. 41. – P. 901–907. 10. Shinkarenko A. The effect of surface texturing in soft elasto-hydrodynamic lubrication / A. Shinkarenko, Y. Kligerman, I. Etsion // Tribology International. – 2009. – Vol. 42. – P. 284-292. 11. Bauer F. A New Approach to Analyze the Hydrodynamic Flow in Sealing Aids— PTFE-Lip Seals with Spiral Grooves / F. Bauer,W. Haas Tribology Transactions. – 2007. – Vol. 50. – P. 435-443. 12. Sattler, M. A new oil barrier seal for dry gas seals [Text] / M. Sattler // Sealing Technology. – 2009. – Vol. 2009, Issue 9. – P. 8–11. doi: 10.1016/s1350-4789(09)70495-7. 13. Tran, H. High-performance lift augmentation dynamic seals for turbine bearing compartments / H. Tran, P. Haselbacher // Sealing Technology. – 2004. – Vol. 2004, Issue 1. – P. 5–10. doi: 10.1016/s1350-4789(04)00187-4. 14. Neuberger, S. Gas-lubricated mechanical face seals reduce CO2 emissions / S. Neuberger, E. Bock, W. Haas, K. Lang // Sealing Technology. – 2014. – Vol. 2014, Issue 9. – P. 8–12. doi: 10.1016/s1350-4789(14)70343-5. 15. Wang, Y. Theoretical analyses and field applications of gas-film lubricated mechanical face seals with herringbone spiral grooves / Y. Wang, H. Yang, J. Wang, Y. Liu, H. Wang, X. Feng // Tribology Transactions. – 2009. – Vol. 52. – P. 800–806. doi: 10.1080/10402000903115445.
Результати керівника проекту: 
Керівником проекту запропоновано новий підхід підвищення надійності торцевих сальникових ущільнень за рахунок гідродинамічного розвантаження пари тертя, розроблена наближена методика числового розрахунку зв’язаної задачі пружногідродинамічного змащення. Розроблений стенд та методика експериментальних досліджень торцевих сальникових ущільнень. Проведені експериментальні дослідження, визначений розподіл гідродинамічного тиску по ширині пари тертя та витратні характеристики торцевих сальникових ущільнень з гідродинамічним розвантаженням пари тертя. Експериментально визначені трибомеханічні властивості сальникової набивки, які дають можливість отримати модуль пружності та коефіцієнт Пуассона, а також початковий зазор, необхідний для розв’язання задачі пружногідродинамічного змащення торцевого сальникового ущільнення. Проведені ресурсні випробування торцевих сальникових ущільнень з гідродинамічним розвантаженням пари тертя, які дозволяють говорити про ефективність нової конструкції торцевого сальникового ущільнення з реверсивними канавками. Розроблена методика статичного та динамічного розрахунку імпульсних ущільнень. Експериментально отримані робочі характеристики імпульсних ущільнень в залежності від початкових умов. Основні положення і наукові результати керівника опубліковані в українських та закордонних науково-технічних виданнях, а також доповідалися на багатьох науково-технічних конференціях.
Основна мета та задачі проекту: 
Мета: поліпшення робочих характеристик нових енерго- та ресурсозберігаючих конструкцій ущільнень відцентрових машин на основі експериментальних та числових досліджень процесів герметизації. Задачі проекту: комп'ютерне моделювання за допомогою методів обчислювальної механіки механізму герметизації нових конструкцій ущільнень, визначення основних робочих характеристик; експериментальні дослідження нових конструкцій торцевих сальникових ущільнень з гідродинамічним розвантаженням пари тертя та імпульсних ущільнень на високі параметри, визначення ефективності та меж застосування нових енерго- та ресурсозберігаючих конструкцій ущільнень.
Основні ідеї та новизна: 
Основною ідеєю проекту є використання експериментальних досліджень та методів обчислювальної механіки для дослідження процесу герметизації нових енерго- та ресурсозберігаючих конструкцій ущільнень. Експериментальні методи досліджень, дозволять встановити ефективність нових конструкцій торцевих сальникових та імпульсних ущільнень. Комп’ютерне моделювання з використанням методів обчислювальної механіки за допомогою ліцензійного універсального програмного комплексу ANSYS Academic Research CFD дозволить розв’язати задачу пружногідродинамічного змащення торцевого сальникового ущільнення з гідродинамічним розвантаженням пари тертя та нестаціонарну газодинамічну задачу течії газу в імпульсному ущільненні. Застосування одночасно експериментальних досліджень та методів обчислювальної механіки надасть можливість оптимізувати геометрію досліджуваних вузлів та підвищити ресурс ущільнень в цілому. Запропонований підхід є новим та перспективним при розробці та модернізації ущільнень відцентрових машин.
Робочий план виконання проекту: 
Проект планується виконувати в 2 етапи: 1. Комп’ютерне моделювання та експериментальні дослідження процесу герметизації торцевих сальникових ущільнень з гідродинамічним розвантаженням пари тертя: розробка методики комп’ютерного моделювання процесу герметизації в торцевому сальниковому ущільненні з різними гідродинамічними канавками на контактній поверхні, визначення найкращого поєднання геометричних параметрів канавок, які відповідають мінімальним витокам і максимальному гідродинамічному тиску в ущільненні; експериментальні дослідження нових конструкції торцевих сальникових ущільнень, визначення витоків, гідродинамічного тиску і температури в парі тертя; аналіз результатів та їх узагальнення. Строк виконання: червень-вересень 2018р. Очікувані результати: нові наукові дані про механізм герметизації торцевих сальникових ущільнень з гідродинамічним розвантаженням пари тертя, публікація 1 статті у фаховому виданні, публікація 1 статті в журналі, що входить у науково-метричну базу даних Scopus. 2. Проведення експериментальних досліджень та комп’ютерного моделювання процесу герметизації імпульсних торцевих ущільнень: експериментальні дослідження процесу герметизації в імпульсному ущільнень на високі параметри, визначення витоків, поля температури та вібрацій аксіально-рухомого кільця; комп’ютерне моделювання нестаціонарної течії рідини в зазорі імпульсного ущільнення, аналіз результатів та їх узагальнення. Розробка за результатами числових та експериментальних досліджень нових енерго- та ресурсозберігаючих конструкцій ущільнень. Строк виконання: жовтень-грудень 2018р. Очікувані результати: нові наукові дані про механізм герметизації імпульсних ущільнень, нові високоефективні енерго- та ресурсозберігаючі конструкції ущільнень, публікація 1 статті у фаховому виданні, 1 заявка на патент України, 2 роботи на Всеукраїнський конкурс студентських наукових робіт.
Обладнання (існуюче): 
Експериментальні дослідження торцевих сальникових та імпульсних ущільнень будуть проведені на стендах проблемної лабораторії «Гермомеханіки та вібродіагностики» кафедри загальної механіки та динаміки машин Сумського державного університету. Лабораторія обладнана унікальними експериментальними стендами для дослідження різного типу ущільнень. Зокрема для виконання проекту будуть використовуватися: Стенд для дослідження безконтактних ущільнень з високими параметрами (тиск до 5 МПа, частота обертання вала до 12500 об/хв). Складається з поршневого компресора, призначеного для закачування робочого середовища (повітря) в колектор тиску, системи трубопроводів, шафи управління і експериментальної установки для випробування імпульсних ущільнень. Для вимірів тиску використовуються манометри МН1-МН3, витоки повітря вимірюються ротаметрами РТ1 і РТ2, для виміру температури використовується пристрій «АТАКОМ». Установка для дослідження процесів тертя і зношування контактних ущільнень, створена на основі машини тертя МДП-1. Стенд для дослідження торцевих сальникових ущільнень (тиск до 1 МПа, частота обертання вала до 3000 об/хв). Складається з бака, системи трубопроводів, фільтру, плунжерного насосу та експериментальної установки, виконаної на базі консольного насосу. Для виміру гідродинамічного тиску в парі тертя використовуються п’єзодатчики тиску (максимальний тиск 0,4МПа), витоки вимірюються мірною ємністю. Універсальний вібровимірювальний прилад «Вібропорт», що застосовується для вимірювань механічних коливань.
Обладнання необхідне для придбання із поясненнями: 
Зразковий манометр з класом точності 0,25 – 4 шт. Використання цих манометрів в експериментальних стендах дозволить розширити діапазон ущільнювальних тисків та збільшити точність виміру тиску в парі тертя торцевих сальникових та імпульсних ущільнень. Балони кисневі – 6 шт. Необхідні для збільшення ємності повітря, що дасть змогу збільшити час на проведення експериментальних досліджень імпульсних ущільнень на високих тисках. Редуктор АР-012-01 – 1 шт. Необхідний для експериментальних досліджень імпульсних ущільнень. Наявність цього редуктора дозволить розширити діапазон ущільнювальних тисків від 15 до 100 атм. Термопара АТА-2008 – 5 шт. Необхідні для виміру температури в парі тертя торцевих сальникових ущільнень.
Планова калькуляція кошторисної вартості робіт (тис. грн.): 
Статті витратЗагалом (тис. грн.)
Витрати на оплату праці98,60
Відрахування на соціальне страхування21,70
Матеріали35,00
Паливо і енергія для науково-виробничих цілей
Витрати на службові відрядження
Спец устаткування для наукових (експерементальних) робіт
Витрати на роботи, які виконуються сторонніми організаціями
Інші витрати11
Накладні витрати19,70
Всього витрат186,00