ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.06.2024
Просмотров: 107
Скачиваний: 1
осевую силу, действующую на ротор. Торцовый зазор А контакт ного уплотнения ограничивает переток жидкости между рабочими полостями.
Конструкции дисковых уплотнений, рассмотренные выше, мо гут образовывать как торцовый зазор (рис. 7, а), кольцевая по лость которого перпендикулярна оси вращения ротора, так и за зор, кольцевая полость которого образует некоторый угол с осью вращения ротора (рис. 7, б).
І На рис. 8 представлена конструкция бесконтактного уплотне ния, используемого в насосах типа СОТ и Н Д [33]. Уплотнение
может устанавливаться взамен сальниковых, с которыми постав ляются указанные насосы, и состоит из неподвижного корпуса 1, в котором свободно вращается вал насоса. На вал устанавливается вращающийся диск 2, имеющий радиальный прилив с фланцем 5, к которому крепится диск 6 с вращающимися лопастями 4. Внутри вращающейся камеры, образованной этими элементами, установ лена неподвижная камера 3, которая с помощью патрубка 7 со единена со всасывающей полостью насоса.
В процессе работы насоса часть перекачиваемой жидкости через зазор между неподвижным корпусом 1 и вращающимся диском 2 попадает во вращающуюся камеру, заполняет ее и под действием центробежных сил отбрасывается к периферии. Ра диальные лопасти 4 в этом случае работают как лопастное уплот-
20
пение, препятствуя перетоку рабочей среды в атмосферу. В тех случаях, когда рабочая среда попадает в зазор между вращаю щимися лопастями и неподвижным корпусом, она отводится через отверстия в нем через патрубок 7 на всасывание насоса. Уплотне ния аналогичного типа получили распространение в химическом машиностроении как для малогабаритных аппаратов с перемеши вающими устройствами, так и для аппаратов общепромышлен ного назначения вместимостью до 50 м3.
Рассмотренные конструкции бесконтактных уплотнений исполь зуются в основном в химическом машиностроении. Однако разви тие космических исследований и связанных с ними поисков кон струкций бортовых систем источников энергии для космических аппаратов потребовало создание принципиально новых конструк
ций бесконтактных уплотнений |
[4, |
|
|
||||||||
42]. В таких системах применяют |
|
|
|||||||||
турбогенераторы |
переменного тока, |
|
|
||||||||
соединенные с |
ядерным |
реактором. |
|
|
|||||||
Турбина |
такой |
системы работает |
|
|
|||||||
на |
парообразном |
калии, |
в то время |
|
|
||||||
когда |
смазка |
подшипников |
опор и |
|
|
||||||
турбины и генератора осуществляется |
|
|
|||||||||
жидким |
калием. |
|
Для |
сохранения |
|
|
|||||
высокого к. п. д. генератора в усло |
|
|
|||||||||
виях, |
когда ротор |
работает |
почти |
в |
|
Схема винтового уплот |
|||||
полном вакууме, |
определяемом дав |
Рис. 9.космических турбогенера |
|||||||||
лением паров калия |
р = |
0,00028 ата, |
нения |
торов [45] |
|||||||
а |
смазка |
подшипниковых |
опор |
|
|
||||||
осуществляется |
жидким |
калием, по |
|
|
|||||||
даваемым к опорам при давлении 1— |
|
|
2,5 кгс/см2, требуется создание высокоэффективных бесконтактных уплотнений. Использование торцовых контактных уплотнений в
таких условиях невозможно |
из-за высоких дисковых |
потерь |
в связи с высокой частотой |
вращения (20 000— 100 000 |
об/мин) |
роторов генератора. Применение дисковых уплотнений |
для этой |
цели позволяет несколько снизить потери энергии, однако вели чина этих потерь все же остается значительной. Переход на дина
мические уплотнения радиального |
типа позволил |
|
уменьшить |
||
эти потери |
[45]. |
|
а |
|
|
На рис. |
9 показана схема уплотнения, в котором применена |
||||
винтовая нарезка с углом подъема винтовой линии |
|
= |
1Г°46', |
||
обеспечивающая работу уплотнения’ |
в турбулентной |
области. |
В конструкции предусмотрена специальная ловушка жидкости, применение которой позволяет собрать протечки жидкого калия, двигающиеся в вакуумную камеру, и возвратить их в результате применения специального сепаратора в уплотнительную зону. Проникновение паров калия в вакуумную зону дополнительно ограничивается молекулярным насосом. В целях снижения тем пературы уплотнения предусмотрено его наружное охлаждение,
21
позволяющее поддерживать его температуру, например, на уровне 315° С, в то время как опорные подшипники такой системы рабо тают при более высокой температуре, например при температуре 430° С.
Использованная конструкция винтового бесконтактного уплот нения позволила решить три задачи: 1) создать радиальное бескон тактное динамическое уплотнение для жидкого калия; 2) обеспе чить строго .ограниченную величину утечек жидкого калия и его паров чер'ез зону уплотнения; 3) повысить к. п. д. системы.
Рис. 10. Схема трехступенчатого лабиринтно-вихревого уплотнения [13]
Дальнейшие исследования в этой области [6, 7, 32] показали возможность улучшения рабочих характеристик динамических уплотнений за счет применения лабиринтно-вихревых уплотнений.
На рис. 10 показана схема трехступенчатого лабиринтно-вихре
вого |
уплотнения, об испытании которого имеются сообщения впра |
||||
боте |
[13]. |
при |
частоте вращения вала |
= |
|
= |
Уплотнения этого типа |
||||
6000 об/мин не имеют утечки жидкости при изменении давления |
|||||
в |
пределах 0—80 кгс/см2. |
При |
повышении давления свыше |
80 кгс/см2 возникла утечка жидкости сначала через последнюю ступень уплотнения, а при давлении более 90 кгс/см2 — через по следующие. Эррозионного износа уплотнение не имело.
22
На рис. 11 показаны два варианта плавающих гидростатических уплотнений, также получивших распространение в системах кос мических аппаратов [31]. Верхняя половина рисунка соответствует гидростатическому уплотнению с внешним противодавлением, по
даваемым от внешнего |
источника питания |
к2 |
отверстию5 |
5, |
имею |
|||||||||||||||||||
щему дроссель |
4. |
|
Чистая |
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
жидкость, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
if |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
поступающая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
от3 |
внешнего |
|
источника, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
через систему отверстий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
и |
попадает в гидростати |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ческие камеры |
|
/, |
из кото |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
рых |
она |
растекается |
|
по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
торцовому |
зазору к пери |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ферии (зона высокого дав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ления) |
и |
к |
центру |
(зона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
низкого давления). Естест |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
венно, |
что |
|
|
уплотнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
этого типа |
имеет |
гаран |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
тированную |
утечку |
жид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
кости. |
Для |
|
уменьшения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
этой утечки, а в ряде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
случаев |
для |
|
полной |
|
ее |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ликвидации,используются |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
плавающие гидростатичес |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
кие |
уплотнения |
(нижняя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
половина рисунка) |
|
с |
не |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
сколькими |
рядами |
гидро |
Рис. |
11. |
Схемы |
плавающего |
|
гидростатичес |
||||||||||||||||
статических камер. |
|
|
|
|
кого уплотнения |
[31] |
|
|
||||||||||||||||
В качестве |
|
примера на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
рис. 11 приведено уплотне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ние, в котором подвод чис |
к |
|
центральным |
гидростатическим |
||||||||||||||||||||
той |
запирающей |
|
жидкости |
1 |
||||||||||||||||||||
камерам |
10 |
осуществляется |
через |
|
каналы |
7, |
|
а |
отвод |
от ниж |
||||||||||||||
них |
гидростатических |
|
камер |
|
1 |
—: через |
отверстия |
6. |
|
Гидро |
||||||||||||||
статические |
камеры |
9, |
связанные |
каналами |
8 |
с внешним |
источ |
|||||||||||||||||
|
|
ником, позволяют в случае необходимости осуществлять регу лировку давления и расхода.
Таким образом,' приведенныепримеры показывают, что во всех случаях использования бесконтактных уплотнений основное внимание следует уделять вопросам согласования требований тех ники безопасности с конструкционными, поскольку лишь это согласование дает возможность выбрать конструкцию и, следо вательно, заранее определить величину утечек жидкости через уплотнение.
Г Л А В А II
Б Е С К О Н Т А К Т Н Ы Е У П Л О Т Н Е Н И Я С Т А Т И Ч Е С К О Г О Д Е Й С Т В И Я
Кольцевые уплотнения являются наиболее простым видом бес контактных уплотнений статического действия, используемых для уплотнения валов с вращательным движением. Уплотнения этого типа обычно выполняют функцию передних и задних уплотнений рабочих колес насосов [26], а также функцию концевых предконтактных уплотнений. Кольцевые уплотнения снижают или коли чество жидкости, перетекающей из камеры в камеру в результате чего увеличивается к. п. д. системы, или давление рабочей
среды |
в камере, предшествующей контактному уплотнению, |
чем |
обеспечивается большая надежность и работоспособность |
машины. |
При неподвижных валах (осях) такое уплотнение уже не может рассматриваться как система, основным назначением которой яв ляется ограничение или препятствие перетоку жидкости из ка меры в камеру. В этом случае уплотнение уже является неподвижным статорным элементом машины или аппарата [8, 63], основным назначением которого является формирование организованного движения жидкости в системе, а не его огра ничение.
В зависимости от конструктивных ограничений кольцевые уп лотнения могут иметь минимальную утечку жидкости, максимально возможный перепад давления или минимально возможные гео метрические размеры.
Практика конструирования кольцевых уплотнений показы вает, что несмотря на столь разные требования гометрические размеры уплотнениям параметры, их определяющие, являются взаимозависимыми и поэтому они могут быть объединены в единый безразмерный комплекс путем теоретического решения задачи о движении жидкости в каналах уплотнения или путем использо вания теории, подобия.
24
4 . А н а л и з л а м и н а р н о г о д в и ж е н и я ж и д н о с т и в з а з о р е н о л ь ц е в о го у п л о т н е н и я
Характеристики, определяющие особенности движения жидкости в каналах кольцевого уплотнения, могут быть получены на основе решения уравнений Навье—Стокса. На основании этих
решений может быть полу |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
чена |
взаимосвязь |
между |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
гидродинамическими |
|
ха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
рактеристиками |
|
уплотне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ния и его геометрическими |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
размерами. |
|
г, |
|
Обозначим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
индексами |
|
|
ср |
|
и |
г |
ра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
диальную, |
|
|
окружную |
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
осевую |
|
координату |
|
си |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
стемы цилиндрических ко |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
ординат. |
Радиальная, ок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ружнаяV |
|
и |
осевая |
состав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ляющие вектора |
скорости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
по |
направлениям |
этих |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
координат |
|
|
могут |
быть |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
обозначены |
|
через |
|
ѵг, |
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
общ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ѵг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(рис. 12). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рассматривая |
|
|
|
|
ий |
|
Рис. |
12. Схема |
кольцевого уплотнения |
|
|||||||||||||||
случай движения жидкости |
изотермичности |
течения (температура |
|||||||||||||||||||||||
и принимая допущения |
о |
||||||||||||||||||||||||
среды |
Т |
в |
|
процессе |
движения |
не |
изменяется), |
несжимаемости |
|||||||||||||||||
жидкости (плотность жидкости р в процессе движения |
не |
изме |
|||||||||||||||||||||||
няется), |
|
а также |
|
рассматривая |
лишь стационарное |
движение, |
|||||||||||||||||||
напишем |
уравнения |
Навье— Стокса в виде системы [21]: |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
Уг 9RÈL = |
|
др_ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д \ |
|
Q. |
Эф |
dR* |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зф |
|
|
|
|
d R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
* Ь _ іг_ и |
|
— |
_____p1 |
dp |
V3 4 .’ |
|
|
|
( 1) . |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
v <p |
dR |
dz . |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v r |
|
|
|
‘ |
dR " |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д°ф |
|
dvz |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Здесь |
cp — координата, |
З ф ' |
dR = |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
отсчитываемая в направлении окруж |
|||||||||||||||||||||||||
ной скорости |
ш; |
|
R |
— координата, |
нормальная |
к поверхности |
|||||||||||||||||||
уплотнения;' |
ѵѵ |
— тангенциальная составляющая суммарной ско |
|||||||||||||||||||||||
рости |
V |
; |
ѵг |
— радиальная |
составляющая суммарной скорости |
V |
; |
||||||||||||||||||
|
р |
|
|
||||||||||||||||||||||
vz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(расходная) |
составляющая |
суммарной |
ско |
||||||||||||
— аксиальная |
|
||||||||||||||||||||||||
рости |
У; |
|
|
— давление. |
|
|
|
|
|
т"“ “ ”— =----- |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
ГОС. ПугЛѴЧгів.« |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
маучно-техн*г:8і;:і«х |
I библиотека G C C '
При этом справедливым являются зависимости р = f (г) и = const, показывающие, что давление является лишь
функцией одной координаты г.
Следует отметить, что последнее выражение предопределяет отсутствие влияния входа в уплотнение и выхода из него на гидро динамические особенности движения жидкости в нем. Поэтому зависимости, полученные на основании рассматриваемого анализа, могут быть использованы лишь для уплотнений, относительная
длина которых значительна и превышает > 10. В тех же
случаях, когда относительная длина кольцевых уплотнений не велика, при их расчете следует учитывать влияние входа и вводить соответствующие коррективы как в величину коэффициента со противления, так и в величину протечек жидкости.
Считая, что радиальный зазор б уплотнения невелик по сравне
нию с радиусами |
вала |
R |
t и втулки |
R 2, |
приближенно запишем |
||||
б = |
б0 + |
е cos ср = б0 ( 1 + ~ |
|
cos cp J , |
|
|
|||
где б — текущая |
величина |
радиального |
зазора; б0 — величина |
||||||
радиального зазора при |
|
концентричном |
уплотнении |
(е |
= 0); |
||||
е |
|
|
|
|
|
|
определяющий |
рас |
|
— абсолютный эксцентриситет; ср— угол, |
положение зазора относительно вертикальной плоскости. Система уравнений (1) может быть решена при следующих гра
ничных условиях: |
|
УФ= |
|
о |
|
ѵг = ѵ, = 0; \ |
|
|||
R = |
|
|
|
|
|
j |
( J |
|||
R = Ri, |
R.2-, |
|
|
iRi, |
|
|
||||
|
|
ѵѵ = |
ѵг = ѵг = 0. |
|||||||
Запишем систему (1) и граничные условия (2) в безразмерном |
||||||||||
виде. Для этой цели |
введем |
безразмерные |
|
координаты |
Ѳ и т], |
|||||
связанные с координатами ср и |
R |
соотношениями |
|
|||||||
. ср = QR и |
R = |
б0 С 1 + |
|
-у- cos Ѳ j |
(1 — г)), |
размер |
||||
а также безразмерные скорости иф, ѵГ и ѵ2, |
связанные с |
|||||||||
ными скоростями зависимостями |
|
|
|
|
|
|||||
vr = cö60ur ( 1 |
|
УФ= |
Уф#ію; |
|
|
|
||||
|
cos 0 j — |
|
оф (1 — г)) sin 0; |
|
vz = V A ,
и безразмерное давление p
P= v(Ik)2(äP- |
(4) |
26