Файл: Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов.pdf

давления поступает по трубке через дроссель 2 в зазор пары тре­ ния 1 (см. рис. 48, а). С уменьшением зазора его сопротивление вытеканию жидкости повышается, расход жидкости по трубке па­ дает, следовательно, уменьшается перепад давления на дросселе и увеличивается давление жидкости в зазоре уплотнения. При

г — ступенчатый зазор

этом появляется гидростатическая сила, препятствующая уменьшению зазора. Таким образом, слой жидкости в зазоре уплотне­ ния имеет гидростатическую жесткость.

В качестве дросселей используют капилляры, диафрагмы; дросселем может быть сам зазор уплотнения благодаря ступенчатой

трения. При этом жидкость может подаваться из специального резервуара или может быть исполь­ зована рабочая жидкость повышенного давления (штриховые линии на рис. 48, б). Назначение клапана 3 — поддерживать по­ стоянный расход жидкости, поступающей в зазор уплотнения. При использовании объемного насоса, полный расход которого подается в уплотнение, установки клапана не требуется. Для обе­ спечения угловой гидростатической жесткости слоя жидкости необходимо устройство камер на поверхности трения (см. рис. 50)

60

с подачей жидкости в каждую камеру отдельным насосом (или секцией одного насоса).

Кроме описанных схем применяют также схему с подачей жидкости от насоса и дроссельным регулированием зазора (см.

рис. 20).

Обычно расчет гидростатических уплотнений проводят для ламинарного режима течения в зазоре. При этом есть различие в методиках расчета уплотнений с дросселирующими зазорами (см. рис. 49, в, г) и уплотнений с отдельными дросселями и каме­ рами на поверхности трения (см. рис. 49, а, б и 50). В первом слу­ чае благодаря простой форме зазора и осевой симметрии задачу о течении вязкой несжимаемой жидкости по зазору удается решить аналитическим путем и даже учесть влияние сил инерции от вра­ щения [63, 64].

Согласно этим расчетам при течении жидкости от центра к пе­ риферии для ступенчатого и сужающегося зазоров силы инер­ ции увеличивают гидростатическую жесткость слоя, а при обрат­ ном течении — уменьшают ее.

При расчете уплотнений с дросселирующими зазорами удается аналитически оценить также влияние переменности зазора в на­ правлении окружности колец (например, при угловом смещении одного кольца пары трения относительно другого).

Для расчета характеристик гидростатических уплотнений с от­ дельными дросселями и камерами из-за сложности их геометри­ ческой формы используют либо численные методы, либо прибли­ женные аналитические методы и методы моделирования.

При исследовании распределения давления и скоростей тече­ ния в зазоре уплотнения приближенными аналитическими мето­ дами используется суперпозиция решений для течений с более про­ стыми граничными условиями по давлению. Это возможно благо­ даря линейности дифференциальных уравнений движения жидко­ сти в ламинарном режиме.

Исследования в МЭИ и ВНИИГидромаше показали также, что гидродинамические характеристики уплотнения с камерами с до­ статочной точностью определяются без учета концевых влияний камер, принимая, что течение в зазоре уплотнения чисто радиаль­ ное.

Достаточно точен и прост метод электрогидродинамической аналогии (ЭГДА), широко используемый во многих гидродинами­ ческих, тепловых и других задачах.

Распределение давления исследуют на модели поверхности трения уплотнения, выполненной в увеличенном масштабе из токопроводящей бумаги. Наружную и внутреннюю границы по­ верхности, а также камеры выполняют из медной фольги, так как они имитируют области постоянного давления, а следовательно, постоянного напряжения. К границам и камерам подводят раз­ личные напряжения и на токопроводящей бумаге получают на­ пряжения, фиксируемые с помощью щупа и гальванометра. По

61

точкам строят эпюру распределения напряжений, моделирующую

внекотором известном масштабе эпюру распределения давлений

взазоре уплотнения.

Гидродинамический расчет уплотнения с камерами, используя ЭДГА, проводят следующим образом (см. рис. 49, а). Все зависи­ мости удобно представить в безразмерном виде и в функции отно­ шения давления в камерах к давлению перед уплотнением p j p „, как это делают для гидростатических подшипников [68]. Примем, например, что сопротивление дросселя выражается той же зави­ симостью, что и для отверстия с острыми кромками (диафрагма). Внешние силы, действующие на кольца пары трения от пружины и давления жидкости, должны уравновешиваться гидростатичес­ кой силой W в зазоре уплотнения.

По распределениям давления при различных значениях рк/р0 определенным на приборе ЭГДА, находят зависимости гидроста­ тической силы W и расхода из камер qK в зазор уплотнения от

расход qK.

Расход утечки через уплотнение q вычисляют для полученных значений h и рк/р0 по соответствующей эпюре распределения давления в зазоре.

Из системы уравнений (35)—(37) получают зависимость для гидростатической осевой жесткости уплотнения dW/dh. Угловую гидростатическую жесткость dWIda уплотнения можно найти, если в приборе ЭГДА применить проводящую бумагу перемен­ ной толщины, имитируя таким образом переменную величину зазора.

Как осевая, так и угловая гидростатические жесткости торцо­ вого уплотнения определяют устойчивость величины его зазора и, следовательно, устойчивость работы уплотнения при действии каких-либо возмущающих сил. Они являются весьма важными характеристиками уплотнения. В работе [40] проведено сравне­ ние гидростатической жесткости уплотнений с отдельными каме­ рами, со ступенчатым и сужающимся зазорами. Расчеты произ­ ведены численно.

На рис. 51 показаны формы зазоров уплотнений и соответствую­ щие зависимости осевой и угловой гидростатической жесткости

62

от величины зазора (минимального). Наибольшую гидростати­ ческую жесткость имеет уплотнение с камерами.

Дальнейший анализ показал также, что гидростатические ха­ рактеристики этого уплотнения в наименьшей степени изменяются при нарушениях формы трущихся поверхностей вследствие их деформации или местного износа.

Зависимости гидростатической жесткости от величины зазора и угла поворота для торцового уплотнения с четырьмя камерами

Рис. 51. Формы зазоров и зависимости осевой и угловой жестко­ сти от величины зазора гидростатических уплотнений: а — с дрос­ сельным регулированием и четырьмя камерами; б — со ступенча­ тым зазором; в — с сужающимся зазором [40]

приведены в работе [38]. Если сравнивать гидростатические жесткости торцовых уплотнений с камерами, имеющими различ­ ные устройства для регулирования зазора, то наибольшую жест­ кость имеет система с постоянным расходом, а наименьшую — с капиллярным регулированием зазора [68].

Выше не была дана оценка влияния переменности вязкости и действия сил инерции вращения на распределение давления и скорости течения в зазорах гидростатических уплотнений. Пе­ ременность вязкости слоя жидкости вызывается неравномерностью распределения температуры. Зависимостью вязкости жидкости от давления можно пренебречь, так как давление в гидростати­ ческих уплотнениях сравнительно невелико.

Для оценки влияния переменности вязкости можно восполь­ зоваться данными работы [45]. В ней рассмотрено течение несжи-

63

маемой жидкости с вязкостью, зависящей от давления и темпера­ туры, в зазоре гидростатического подпятника при неподвижном вале. В общем виде показано, что для адиабатического режима течения (без отвода тепла через стенки) распределение давления и гидростатическую силу при переменной вязкости можно найти

Рис. 52. Схема к задаче о течении в зазоре уплотне­ ния несжимаемой жидкости с учетом переменной вяз­ кости и сил инерции

преобразованием соответствующих известных выражений с по­ стоянной вязкостью.

Одновременная оценка влияния сил инерции и переменной вязкости в плоском кольцевом зазоре (рис. 52) торцового уплот­ нения проведена в работе [9]. При решении этой задачи принимали, что вязкость жидкости зависит от температуры по гиперболичес­ кому закону и температура слоя линейно возрастает от наружного радиуса пары к внутреннему (в направлении течения).

Приводим исходные дифференциальные уравнения с гранич­

64