Auslegung zentraler Entlastungseinrichtungen zur Axialschubkompensation und rotordynamische Beurteilung an einer mehrstufigen Hochdruck-Gliederpumpe

Study of the balancing device for compensating the axial thrust and rotordynamic analyses of a multistage ring-section-pump

  • Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, die Verwendung der Entlastungspartie als mediumgeschmiertes Radiallager zu untersuchen. Die damit entfallende Abdichtung zur Umgebung und eine insgesamt kürzere Pumpenwelle würde das rotordynamische Verhalten von mehrstufigen Gliederpumpen erheblich verbessern. Deshalb wird das Schwingungsverhalten einer mehrstufigen Gliederpumpe untersucht, indem verschiedene Standard-Profilierungen des zentralen Entlastungskolbens miteinander verglichen werden. Davon ausgehend wird eine Entlastung mit Injektion realisiert, die die Funktion eines Hybridlagers übernimmt, damit die Lagereigenschaften optimiert und der Einfluss des langen Drosselspaltes auf die Rotordynamik dargestellt werden kann. Als Hybridlager wird der Einfachkolben als zentrale Entlastung ausgewählt. Analog zu Gleitlagern wird eine glatte Spaltoberfläche realisiert, wenn in diesen Spalt mit dem Pumpenenddruck injiziert wird. In Verbindung mit der Exzentrizität des Rotors wird somit eine maximale Tragfähigkeit angestrebt. Die axiale Restkraft wird mit einem Kardanischen Ring gemessen. Bevor nun der Kolben der Entlastung ausgelegt werden kann, muss der hydraulische Axialschub bekannt sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am Lehrstuhl ein Auslegungsprogramm für Kreiselpumpen entwickelt, mit dem der Druckverlauf im Radseitenraum, die Druckabsenkung, die Winkelgeschwindigkeit des Fluids und der hydraulische Axialschub berechnet wird. Um die Berechnungsmodelle zu verifizieren wird im experimentellen Teil dieser Arbeit, der Radseitenraum der letzten Stufe mit Miniatur-Drucksensoren und einem Wegsensor appliziert. Die Lagerbelastung und der Betriebspunkt wird mit einem Kardanischen Ring gemessen, der mit Dehnungs-Mess-Streifen appliziert ist und den axialen Restschub erfasst. Außerdem werden die dynamischen Signale der Drucksensoren und des Kardanischen Rings genutzt, um die Veränderungen des Schwingungszustandes oder die Übertragungsfunktion des Radseitenraumes bzw. des langen Spaltes der Entlastungseinrichtung zu beschreiben. Abschließend werden die Auswirkungen der Injektion auf die Entlastungspartie untersucht. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass die Injektion den Durchflusswiderstand zwischen der Injektionsstelle und dem Radseitenraum erhöht. Zudem "bremst" die Injektion die Umfangskomponente der Absolutströmung, so dass der Rotationsfaktor Richtung Teillast kleiner wird. Dadurch kann mit Hilfe der Injektion die Entlastungskraft gesteuert werden. In den Frequenzspektren der glatten Spalt-Konfigurationen (MR3+MR4) tritt am deutlichsten die Frequenz der Laufradschaufeln in Erscheinung, deren Amplitude mit abnehmendem Radius im Radseitenraum deutlich gedämpft wird. Richtung Teillast übersteigt diese sogar die Unwuchtfrequenz und dominiert damit das Frequenzspektrum. Der Radseitenraum wird also von den hydraulischen Laufrad-Leitrad-Interaktionen dominiert. Ab Förderstromverhältnissen von q<0,5 ist ein breitbandiger Anstieg von subsynchronen Frequenzanteilen auszumachen. Diese sind durch Rezirkulationserscheinungen am Laufradaustritt (Austauschwirbel) begründet. Für die Konfiguration ohne Injektion "schlagen" die Frequenzen, die von Lauf- und Leitrad-Interaktionen generiert werden, bis hinter den Entlastungskolben durch. Dies wird durch die doppelten Spaltspiele begünstigt, die eine erhöhte Sensibilität des Rotors gegenüber Anregungen bewirken. Wird in die zentrale Entlastungseinrichtung injiziert, kann das Schwingungsverhalten der Pumpe deutlich verbessert werden. Bemerkenswert ist auch, dass die rotordynamisch vermeintlich beste Konfiguration (MR2) durch eine "ungünstigere" (MR3+MR4) in Kombination mit der Injektion unterboten wird. Die Injektion reduziert die Koppelsteifigkeit (vgl. Drallbremse), was den Rotor (FT) stabilisiert.
  • This study should contribute to the research of the use of the balancing device as a product lubricated radial bearing. Removing the seal to the outside would result in a shorter pump shaft and therefore optimizes the rotordynamic behaviour of ring section type pumps. Therefore the vibrational behaviour of a multistage ring-section-pump is examinated, different profiles at the central balancing piston were compared. Based on these tests a balancing device with injection is realized, which takes over the function of a hybrid bearing, so the characteristics can be optimized and the influence of a long throttling gap on the rotordynamic can be shown. As a hybrid bearing the single piston as central balancing device is choosen, therefore it is possible to realize a simple supply of the injection and the resulting axial thrust can be measured with a cardanic ring. In order to design the piston for the balancing, the axial hydraulic thrust needs to be known. As a part of this study a software for the calculation design of centrifugal pumps was developed at the Institute for Flow and Positive Displacement Pumps. With that program the pressure distribution on the shroud of the impeller, the pressure drop, the circumferential velocity of the fluid as well as the hydraulic thrust can be calculated. To verify the calculation models the impeller side chamber of the last stage is equipped with miniature pressure sensors and a displacement sensor in the experimental part of this study. The bearing forces and the operating point is measured with a cardanic ring, were strain gages are applied and therefore measure the axial thrust. Also the dynamic signals of the pressure sensors and the cardanic ring are used to describe variations regarding the vibrational behaviour and the correlation of pressure between the impeller side chamber and the long throttling gap of the balancing. After that the influence of the injection for the balancing device was tested. As a results of this study it was shown, that the injection increases the loss coefficient between point of injection and the impeller side chamber. The injection reduces the circumferential velocity of the absolute flow, the rotation factor towards part load decreases. Therefore the balancing force can be controlled by the injection. In the frequency spectra the frequency of the impeller vanes is dominant, whose amplitude is dampened with decreasing radius of the impeller. Towards part load this frequency exceeds the first harmonic frequency and dominates the frequency spectrum. The impeller side chamber is dominated by the hydraulic interaction of impeller and diffuser. From a relative flow of q<0.5, a broad band increase of the subsynchrous frequencies can be detected. They are based on recirculation at the exit of the impeller (recirculation swirl). The configuration without injection obviously promotes the frequencies, which are generated by the interaction of impeller and diffuser behind the balancing device. This is favored by double gap clearances, which result in an increased sensibility of the excitation towards the rotor. If there is an injection in the central balancing device, the vibration behaviour of the pump can be improved. It is also remarkable that in regards of the rotordynamic the best configuration (MR2) can be beaten by a worse one (MR3+MR4) in combination with injection. Obviously the cross stiffness is clearly reduced (compare swirl brakes) which results in stabilizing the rotor (FT). The best solution regarding rotordynamic is the configuration with injection at the centre of the gap (MR4b).

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Metadaten
Author:Christian Trautmann
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18139
Advisor:D.-H. Hellmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/11/12
GND-Keyword:Axialschub ; Drosselspalt ; Hybridlager ; Kreiselpumpe ; Rotordynamik
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $