Файл: Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения.pdf

ных данных, полученных при исследовании винтового уплотнения с метрической специальной нарезкой.

Наибольшее соответствие между рассматриваемыми уплотне­ ниями по своим геометрическим характеристикам имеют уплот­ нения с ленточной нарезкой № 2 и со специальной метрической нарезкой, в то время как уплотнение с ленточной нарезкой № 1 имеет гораздо меньший радиальный зазор, чем предыдущие два уплотнения. Теоретический расчет, выполненный для винтовых уплотнений с ленточной нарезкой № 1 и № 2 , подтверждает преимущества уплотнения с нарезкой № 1 (кривая 2) по сравне-

Рис. 48. Зависимость коэффициента сопротивления A Q о т критерия Рейнольдса

Reg для случаев работы винтового уплотнения с метрической специальной на­ резкой (табл. 6):

1—4 — при Rew, соответственно равных 0; 262; 393; 785

I

нию с уплотнением с нарезкой № 2 (кривая /). Опытные данные для указанных уплотнений, однако, расходятся с теоретическими (особенно в зоне турбулентных режимов) и в наибольшей степени для винтового уплотнения с ленточной нарезкой № 2 .

Не анализируя этот факт, остановимся на особенностях экс­ периментальных кривых, имеющих тенденцию к уменьшению коэф­ фициента А и в зоне малых значений критерия Рейнольдса Reu.

Для. объяснения этого факта, имеющего важное значение для определения возможных областей работы винтовых уплотнений, рассмотрим функцию A Q = / (ReQ) винтового уплотнения с метри­ ческой специальной нарезкой, характеризующую зависимость ве­ личины утечек жидкости через уплотнение от критерия Рей­ нольдса Rec (рис. 48). На рисунке указанная.функция представ­ лена экспериментальными кривыми, построенными соответственно

91

для четырех значений критерия Рейнольдса. Из рисунка видно, что для ReK = const в зоне малых значений критерия ReQ с уве­ личением протечек жидкости через уплотнение эффективность его падает, хотя на основании анализа выражения (74) зависимость

и к рис. 32, на котором показано, как это влияние отражается на величине коэффициента цилиндрического дискового трения.

На основании данных, отраженных на этих рисунках, ясно, что при увеличении величины осевой скорости жидкости, дви­ жущейся через кольцевой канал уплотнения, вихри Тейлора по­ давляются этой скоростью вплоть до полной их ликвидации. Ко­ личественно это отражается на уменьшении коэффициента цилин­ дрического дискового трения вплоть до минимальных его значений, характеризующихся минимальной степенью турбулизации потока в канале кольцевого уплотнения при постоянном значении окруж­ ного критерия Reffll. Этот режим сохраняется постоянным в пре­ делах некоторого изменения величины осевого критерия Reoc. При этом величина коэффициента цилиндрического дискового тре­ ния Cf остается постоянной в передах этого изменения Reoc. Даль­ нейшее увеличение Reoc приводит к увеличению степени турбу­ лизации в кольцевом канале уплотнения, но уже в результате воздействия осевой скорости потока в этом канале. Это увеличение турбулизации приводит к возрастанию коэффициента цилиндри­ ческого дискового трения Cf.

92

Аналогичное явление имеет место и в каналах винтового уплот­ нения, вихри Тейлора в котором возникают в результате действия вращающихся нарезок уплотнения на находящуюся в этих каналах жидкость. При увеличении перепада давления через такое уплот­ нение возрастает утечка жидкости через него, что, как и в случае с кольцевым уплотнением, приводит к подавлению вихрей Тей­ лора. Это отражается науменьшении эффективности винтового уплотнения: коэффициент A Q увеличивается с увеличением кри­ терия Рейнольдса ReQ. При достижении определенных значений критерия ReQ осевой поток жидкости полностью подавляет вихри Тейлора, в результате чего величина A Q,остается постоянной в пре­ делах от ReQ, до ReQ,. При дальнейшем увеличении перепада давления через винтовое уплотнение сопротивление перетоку жидкости определяется осевым турбулентным потоком, обтекающим выступы нарезок уплотнения. Потери энергии при таком движе­ нии пропорциональны квадрату осевой скорости и, следовательно, при ее увеличении уплотнение становится более эффективным. Аналитически это приводит к уменьшению A Q при возрастании ReQ

Описываемые области работы винтовых уплотнений в прямой степени зависят от их геометрии и гидродинамических режимов работы. На рис. 49 в качестве примера приведены области.работы винтового уплотнения, определяемые изменяемой величиной кри­ терия Рейнольдса Re„ и относительной глубиной нарезок уплот­

нения Анализ приведенных опытных данных показывает на­

личие по крайней мере трех областей работы винтового уплотнения. Область / характеризуется наличием в каналах уплотнения сильно развитого вихревого движения, вызванного вращением

нением ReQ; эффективность уплотнения в этой области минимальна и постоянна.

Область I I I характеризуется наличием в каналах уплотнения сильно развитого вихревого движения, вызванного обтеканием выступов нарезок уплотнения осевым потоком жидкости; для Re„ = const с ростом ReQ коэффициент сопротивления ЛQ в этой области падает, а эффективность уплотнений растет.

Аналогичная картина имеет место и при отсутствии протечек жидкости через винтовое уплотнение, т. е. в случае, когда ReQ = = 0 (см. рис. 47). В ламинарной зоне (Reu <С 400) опытное зна­

в винтовых уплотнениях даже при отсутствии осевого движения жидкости, вызванного значительным перепадом давления, факти-

93

чески существует осевой поток жидкости по каналам уплотнений из зоны низкого давления р х в зону высокого р 2 и противоположно направленное осевое движение жидкости по кольцевому радиаль­ ному зазору величиной б из зоны высокого давления р 2 в зону низкого pj (рис. 50). Явления, происходящие при этом движении, аналогичны вышеописанному, хотя и проявляются они в меньшей степени, что отражается на значительном сужении области I и увеличении области I I . Что же касается области работы I I I , то вихревые явления, имеющие в ней место, аналогичны вышеопи­ санному; они приводят к улучшению эффективности уплотне­

ламинарных режимов, ограниченных условиями подавления вих­

в большей степени зависит от определяющих критериев.

При этом степень турбулентности жидкости в винтовых

’

Здесь к,, и а, — средние скорости потока в окружном и нор­ мальном к поверхности уплотнения направлении; б,- — местная величина зазора; U — окружная скорость поверхности уплотне­

направлениях.

Как показано в работе [9], коэффициенты Gv и Gr зависи­ мости (80) являются в основном функцией критерия Рейнольдса Re/, (рис. 51), где h — глубина нарезки уплотнения. На основании расчета, изложение которого представлено в работах [9, 39], коэф­ фициент сопротивления винтовых уплотнений, работающих в тур­

94

булентной зоне, с достаточной полнотой может быть описан урав­ нением

95

почти монотонно возрастает с ростой Re„ и достигает значения

7гопт = 9,3 для Re„ = 1•104.

Расчеты, проведенные на основании изложенных данных, по­ казывают, что наличие эксцентриситета и перекосы осей винтовых уплотнений незначительно отражаются на изменении коэффи­

рекомендованное в работе [28] для аналогичных винтовых уплот­ нений ленточного тщ'а.

Приведенные в настоящем разделе теоретические обоснования режимов работы винтовых уплотнений, а также графические и аналитические зависимости, касающиеся выбора основных гидро­ динамических и геометрических их характеристик как в каче­ ственном, так и в количественном отношении, должны рассматри­ ваться лишь как первое приближение указанных расчетов, по­ скольку этот теоретический анализ основан на ряде предположений

96 -