Файл: Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения.pdf

и /г2 — минимальный и максимальный торцовые зазоры в уплот­ нении в мкм; р. — вязкость в кге-с/м2; R :, и Р 2 — наружный и внутренний радиусы уплотнения в м; р 2— давление в уплотняе­ мой камере в кгс/см2 (р2 > р 1); R — универсальная газовая по­ стоянная в м2/с2К.

Приведенные кривые показывают, что в зоне малых относи­

тельных высот уплотнения Я безразмерная утечка жидкости М через него фактически постоянна и изменяется лишь с изменением

показаны). В промежутке 0,2<; Я < 10 имеет место параболи­ ческая зависимость М от Я .

Аналогичная зависимость безразмерного расхода жидкости М от относительной высоты уплотнения Я , выраженного для пла­

сунке (верхний рисунок). Здесь I — расстояние между питающими отверстиями в мм; а — радиус питающего отверстия в мм; b — ра­ диальная длина уплотнения.

Анализ функции М — / (Я) показывает, что для плавающих гидростатических уплотнений с саморазгрузкой при относитель­

ной высоте Я 0,55 имеют место максимальные утечки жидко­

сти М .

Эти типы плавающих уплотнений, а также уплотнений со спиральными канавками и гибридных плавающих уплотнений де­ тально рассмотрены в работе [41], в которой приведены также основные данные по расчету и конструированию уплотнений этих типов.

14ш Л о п а с т н ы е у п л о т н е н и я

Лопастные уплотнения широко используются в различных областях техники, в том числе и в качестве уплотнений турбонасосных агрегатов жидкостно-реактивных двигателей. В этих усло­ виях лопастные уплотнения служат для предотвращения попада­ ния жидкости из полости высокого давления (р2) в газовую по­

80

лость низкого давления (рх). В турбонасосных агрегатах лопаст­ ные уплотнения разделяют полости насосов и полости турбины, а также полости насосов и полости, сообщающиеся с атмосферой — дренаженые полости.

Как уже указывалось выше, лопастное уплотнение представ­ ляет собой плоский диск с установленными на нем лопастями. Особенностью установки этих уплотнений является малый торцо­ вый 6 Т или радиальный бг зазоры.

Экспериментальные исследования [12, 64] показали, что ни форма лопастей (радиальные, загнутые назад или вперед), ни их число не оказывают существенного влияния на эффективность уплотнения в тех случаях, когда протечка жидкости через них равна нулю. Этот оптимальный режим работы обычно прини­ мается за расчетный и для этих условий лопастные уплотнения выполняют с радиальными лопастями. Число лопастей выбирается равным шести— восьми. Лопасти таких уплотнений могут быть открытыми по наружному диаметру или закрытыми [36]. Приме­ нение закрытых по наружному диаметру лопастей уменьшает по­ падание газа в лопасть, заполненную жидкостью. Так же, как и в дисковых уплотнениях, лопасти лопастных уплотнений вовле­ кают жидкость во вращение с угловой скоростью сож. Так как распределение давления в пазухах лопастного уплотнения опре­

= 0,87-=- 0,90.

Данные, необходимые для расчета лопастных уплотнений, мо­ гут быть получены в результате обработки опытных насосных характеристик с открытыми колесами [64]. При этом предпола­

%

Г Л А В А IV

В И Н Т О В Ы Е У П Л О Т Н Е Н И Я

Создание бесконтактных уплотнений приобретает существен­ ную важность в конструкциях, работающих в необычных условиях и требующих, например, отсутствия протечек жидкости через зону уплотнения. Такие условия имеют место в химической промыш­ ленности, рабочие среды которой зачастую обладают взрыво-

ипожароопасными свойствами, а также в машинах, используемых

вкосмических аппаратах.

Вкачестве примера рассмотрим вопросы уплотнения систем ракетного двигателя [31 ]. Поскольку двигатель такого рода имеет около 300 уплотнений, то важнейшим требованием к последним является недопустимость утечек компонентов топлива в те по­ лости, где существует возможность взрыва. Если же учесть тот факт, что топливо ракетных двигателей в случае применения

жидкого водорода имеет температуру около 20К, а температура в камере сгорания достигает 3600 К, то можно понять уникальность требований, предъявляемых к уплотнениям, разделяющим такие камеры. Не подлежит сомнению и тот факт, что задача разделения таких камер может быть решена путем создания такого динами­ ческого уплотнения, в котором динамическая составляющая ско­ рости, направленная против движущейся под воздействием пере­ пада давления жидкости, уравновесила бы это движение и со­ здала условия для его прекращения.

15. О с о б е н н о с т и р а б о т ы

в и н т о в ы х у п л о т н е н и й

Ламинарный режим. Впервые об исследованиях уплотнения винтового типа было сообщено в работе [20]. В дальнейшем су­ щественный вклад в вопросы исследования и расчета таких уплот­ нений внесли и авторы работ [9, 12, 28, 32, 39, 48, 51]. В этих работах было разработано несколько теоретических методов ана­ лиза, основанных на уравнениях движения жидкости Навье—

Стокса и уравнении неразрывности. Этими методами исследова­ лись рабочие характеристики винтовых насосов в зоне ламинар­ ных режимов движения жидкости [39, 48]. Они были использо­ ваны также при исследовании работы таких насосов в уплотни­ тельном режиме, который характеризуется условием нулевых утечек жидкости через винтовой насос.

В результате было выявлено, что в качестве основы для рас­ чета винтовых уплотнений может быть использован безразмерный комплекс

зависящий лишь от геометрических характеристик уплотнения. В соответствии с данными, приведенными в работе [48], указан­ ный комплекс определяется зависимостью

_ ІіЧ 1 + lg 2«) + t g ^ o c (1 - toe) (h - l)a

tgafecU—^0c)(/3—1)(/t—1)

В зависимостях (71) и (72) p, — абсолютная вязкость; U — ок­ ружная скорость поверхности уплотнения; I — длина уплотнения; б — радиальный зазор; Ар — давление, удерживаемое винтовым

J+ - f

выступов и впадин нарезки в осевом направлении.

Однако решения, приведенные в рассмотренных выше работах, касались винтовых уплотнений с ленточной нарезкой, имеющей прямоугольный профиль в осевом сечении, и распространялись на однозаходные уплотнения. Эти ограничения существенно отра­ жаются на конечных выводах поскольку, как это будет показано ниже, значительное влияние на характеристику винтовых уплот­ нений оказывает также число заходов нарезки уплотнения г и форма ее профиля. Помимо того, как это было отмечено в работе [6 ], в винтовых уплотнениях с малой проходной площадью существует следующая закономерность: с повышением перепада давления Д р утечка жидкости AQ через уплотнение увеличивается незначи­ тельно, в результате чего при определенных условиях эксплуата­ ции такого уплотнения, допустимых требованиями техники без­ опасности, экономически оправдана работа уплотнения с не­ которой величиной утечки, так как величина удерживаемого дав­ ления при этом резко возрастает.

Этот факт не позволяет ограничиваться решением, справедли­ вым лишь для случая ДQ = 0 .

' 84

Основываясь на вышеизложенном и используя метод, предло­ женный в работе [39], получим уравнение

делены экспериментально на основании данных, характеризую­ щих ламинарное и турбулентное движения между параллельными пластинами. Остальные члены этого уравнения являются геоме­ трическими характеристиками уплотнения. Не останавливаясь на детальном анализе методов определения, приведенных в урав­ нении (73) величин, отметим, что теоретически эти величины могут быть определены с весьма значительной погрешностью в ре­ зультате ряда допущений, принятых при ее выводе.

в которой /Б и /е являются безразмерными коэффициентами, зависящими от критерия Рейнольдса, а ЛQ представляет собой

85