Файл: Макаров Г.В. Уплотнительные устройства.pdf

Расход жидкости через диаметральный зазор 2s

кэп rfs3 Ар

Qi 12\\L

где /гэ = 1 ч-2,5—коэффициент, учитывающий эксцентричное расположение вала относительно расточки; Ар—потери давле­ ния на жидкостное трение; т) — динамический коэффициент вяз­ кости.

Расход жидкости через винтовую канавку согласно формуле Буссинека для трубы прямоугольного сечения

коэффициент, зависящий от отношения сторон прямоугольника

Направление вращения вала должно быть противоположным направлению винтовой линии канавки.

Принимая общий расход жидкости через уплотнения равным нулю, определим значения Ар и /г, при которых отсутствует утечка

133

Размеры уплотнений приводятся также в работе В. Н. Кокичева [331.

Для уплотнений может применяться лшогозаходная резьба. Изменение предельных давлений для винтоканавочных уплотне­

уплотнениями, обеспечивающими запирание жидкости при малых скоростях вращения и в состоянии покоя.

На рис. 80 представлены результаты вычислений допускаемого предельного давления в зависимости от скорости вращения вала (диаметр вала 70 мм, длина втулки 60 мм, шаг резьбы 10 мм, число заходов резьбы 3).

Из этого рисунка видно, что для работы винтокаиавочного уплотнения существенное значение имеет вязкость жидкости.

Потерн мощности в рассмотренном уплотнении (Э3Др

п100-102 K B I

где Q в см3 /с; Ар в кгс/см2 . Удельные потери мощности

В качестве примера применения гидродинамического уплот­ нения можно привести схему уплотнительного узла, предназначен-

134

ного для герметизации паров ртути, служащих рабочим телом турбины, н паров масла, питающего опорные подшипники в ядер­ ной энергетической установке SNAP-8, рассчитанной на длитель­ ную работу в условиях высокого вакуума в космосе [ПО]. Пары ртути в этой установке находятся при температуре 204° С и давле­ нии 1,4 кгс/см2 .

Уплотнительный узел установки (рис 81) состоит из вязкост­ ного уплотнения /, теплообменника 7 с масляным охлаждением, молекулярного уплотнения 5 и торцового уплотнения 6.

Дренаж

Рис. 81 . Уплотнительный узел для герметизации паров ртути

Вязкостное уплотнение здесь выполнено в виде импеллера с канавками.2 на поверхности, заключенного в корпусе тепло­ обменника 7. Охлаждающее масло циркулирует по линии 3—4. Жидкая ртуть сливается по продольным канавкам импеллера, скапливается в них и не попадает в наружную камеру. Выходное уплотнение 5 обеспечивает герметизацию паров ртути. В началь­ ный период работы системы и при остановке уплотнение со сто­ роны вакуума обеспечивается торцовым уплотнением 6.

Импеллерное уплотнение обеспечивает разделение паровой и жидкой фаз рабочего тела и исключает утечки жидкости. Наиболее ответственным для этого узла является создание устойчивого рав­ новесия между жидкой и паровой фазами, исключающего утечки жидкости.

Вязкостное уплотнение представляет собой вал с наружной резьбой, установленный в корпусе герметизируемого узла и не­ большим зазором. При вращении вала в результате взаимодей­ ствия резьбы с жидкостью образуется градиент давления, вызы­ вающий ее течение в осевом направлении. Иногда вязкостные уплотнения располагают торцами друг к другу, так что канавки образуют шевронную поверхность. Такая конфигурация уплот­ нения при неполном заполнении канавок создает высокое давле-

135

ние в центре и эффективно разделяет жидкостную н паровую фазы на кромках. Работоспособность вязкостного уплотнения опреде­ ляется формой спиральной канавки, радиальным зазором между кромкой и корпусом, скоростью вращающегося вала, свойствами уплотняемой жидкости.

Указанное уплотнение работает устойчиво без малейших уте­ чек при окружной скорости вала 3,18 м/с до величины радиального зазора 0,018 мм.

Глубина канавки в три раза больше радиального зазора между кромкой и корпусом. Канавка составляет 33% шага и 37% кромки. Ширина канавки в 12,5 раз больше глубины, а угол наклона спи­ рали равен 14,5°.

25. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ КРОМОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

В конструкциях гидродинамических кромочных уплотнений для более эффективной герметизации используется гидродинами­

в определенном направлении, вследствие чего обеспечивается ком­ пенсация некоторых дефектов на самих уплотнениях и на' валах.

Благодаря спиральным канавкам на соприкасающихся поверх­ ностях вала и манжеты при вращении вала жидкость засасывается

на вал с натягом. Эти уплотнения аналогичны радиальным кон­ тактным уплотнениям, но имеют винтовую канавку на детали из синтетического материала или на валу. На рис. 82, а показана схема гидродинамического уплотнения с ребрами, образованными на манжете, установленной в корпусе. Ребра расположены равно­ мерно по окружности с внешней атмосферной стороны манжеты. Они выполняют роль миниатюрного гидродинамического насоса, уменьшающего утечки жидкости. Усилие, создаваемое пружиной в этой конструкции, несколько меньше, чем в обычных манжетных уплотнениях, но не должно быть менее 3,5 кгс/см2 [104, 111].

Основным преимуществом описанных уплотнений является то, что они отбрасывают назад вытекающую жидкость. Они могут компенсировать дефекты вала и манжеты, имеют высокую долго­ вечность и надежность и могут работать в широком диапазоне толщин масляной пленки. Этот тип гидродинамического уплотне­ ния применяется только при одностороннем направлении враще­ ния вала.

На рис. 82, б приведена схема уплотнения с винтовыми канав­

136

0,025 мм. Манжета при работе деформируется. Материал входит в канавки, когда вал неподвижен, и облегает выступы при враще­ нии вала. В случае работы уплотнения только при вращающемся вале используют неподпружиненные манжеты.

Расчет уплотнения с винтовыми канавками на валу аналогичен расчету обычных' винтовых уплотнений с радиальным зазором, равным толщине масляного слоя.

сток манжеты; 4 — ребра; 5 — дополнительный уплотнительный лепесток; 6 — линия контакта; 7 — треугольная канавка; 8 — зона контакта манжеты с валом; 9 — зоны кавитации

Уплотнения с канавками на валу используют только при одно­ стороннем вращении.

На рис. 82, в показан пример манжеты, применяющейся для уплотнения валов, вращающихся в двух направлениях. На двух половинках манжеты образованы винтовые канавки разного на­ правления. При вращении вала жидкость засасывается на одной половине манжеты и выкачивается обратно на другой.

Уплотнение, показанное на рис. 82, г, предназначено также для двустороннего вращения вала. Когда вал вращается в направлении, указанном стрелкой, масло заполняет участки х треугольных канавок глубиной 0,05—0,1 мм, которые действуют как гидроди­ намические насосы.

Масло течет поперек уплотнительного лепестка манжеты и поперек участка L , который разделяет треугольные канавки.

137

Вследствие того, что сопротивление потоку масла на уплотнительном лепестке меньше, чем на участке L , масло поступает обратно в уплотняемую камеру. Утечка через уплотнение очень мала по двум причинам: 1) перепад давления не может превышать одной атмосферы; 2) отрицательные давления приводят к более плот­ ному контакт.у манжеты с валом, т. е. увеличивается гидравли­ ческое сопротивление. Мощность насосного действия таких уплот­ нений меньше по сравнению с другими конструкциями винтовых уплотнений.

Известно, что износ уплотнений прямо пропорционален ра­ диальному давлению на кромке. В данной конструкции величина контактного давления на кольцевой кромке лимитируется необ­ ходимостью обеспечения герметичности только в статике. В дина­ мике с целью уменьшения износа под кольцевой кромкой может быть допущено образование толстой масляной пленки и даже утечки жидкости, так как герметизация поддерживается с помощью гидродинамического перемещения жидкости.

При проектировании гидродинамических кромочных уплотне­ ний (рис. 82, о) необходимо выполнять следующие рекомендации:

1) диаметральный натяг уплотнения без пружины должен быть не менее 0,25 мм с учетом изменения натяга вследствие тем­ пературных деформаций и разбухания манжеты;

2)радиальная нагрузка должна быть порядка 5,3—12,4 гс на погонный миллиметр длины окружности;

3)пружина должна быть расположена на расстоянии / не менее 0,25 мм от точки контакта лепестка манжеты;

4)угол наклона а винтовой линии канавок (ребер) должен быть равен 20—30°, при больших углах ухудшаются уплотняющие характеристики, при меньших углах утечки уменьшаются, но

уплотнение становится более чувствительным к засорению;

5)ширина канавок Н должна превышать ширину ребер /г не менее-чем в полтора раза;

6)высота ребер / должна находиться в пределах 0,05—0,10 мм;

7) угол Р между внешней поберхностью лепестка манжеты и поверхностью вала должен быть равен 15—20°; выбор угла зависит от скорости и других факторов;

8)ширина линии контакта рекомендуется в пределах 0,076— 0,25 мм;

9)угол у при вершине уплотнения не должен превосходить

60°;

10)рекомендуемая форма ребер — треугольного или закруг­ ленного поперечного сечения.

26. ЩЕЛЕВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Наиболее часто встречаются следующие разновидности щеле­ вых уплотнений:

1) уплотнения золотников, поршней в насосах и другие, при­ меняемые для диаметров приблизительно до 50 мм; уплотнения

138