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

членами, содержащими угловую скорость со и параметр х. Если вязкость падает в направлении течения жидкости, то эпюра рас­ пределения давления становится более вогнутой, если возрастает ■— более выпуклой, чем эпюра для постоянной вязкости жидкости.

ПАРЫ ТРЕНИЯ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИ-ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ УРАВНОВЕШИВАНИЕМ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Выше отмечено, что гидростатические уплотнения, у которых дросселирующим элементом является сам зазор пары трения, не имеют достаточно высокой гидростатической жесткости в отноше­ нии угловых перемещений. Существует опасность касания краев

П оверхност ь т рения

пары трения. При низких перепадах давления жидкости, например при работе на режимах низкого давления уплотнений валов глав­ ных циркуляционных насосов АЭС, гидростатические силы в за­ зоре пары могут стать соизмеримыми с динамическими силами, силами трения вспомогательных уплотнений и т. п. Чтобы избе­ жать задиров в паре трения в этих случаях, можно применять

дополнительно гидродинамическое уравновешивание пары. Такие уплотнения называем гидростатически-гидродинамическими.

Представляет интерес одна из конструкций указанных уплот­ нений, разработка и исследование которой описано в работе [47]. Гидростатическое уравновешивание пары трения обеспечивается

рис. 53, может работать без кон­ такта трущихся поверхностей как при малых перепадах давле­ ния, так и при малых скоростях вращения вала (рис. 54). Для обеспечения такой работы уплотнения отклонение от плоскост­ ности поверхности кольца должно составлять около 1 мкм при глубине спиральных канавок около 3 мкм.

В работе [47] показано, что уплотнения такого типа работают устойчиво как на газах, так и на жидкостях (вода) при частоте

ПРИНЦИП МИНИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ РАСЧЕТЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПАР ТРЕНИЯ

Гидродинамическое и гидростатическое уравновешивание пар трения преследует цель увеличить зазор между трущимися по­ верхностями, чтобы сократить потери на трение и уменьшить их износ. Однако при этом значительно увеличиваются утечки жидко­ сти. Теряемая с утечками жидкости мощность пропорциональна их расходу и перепаду давления в уплотнении.

Таким образом, суммарная мощность, теряемая в паре трения торцового уплотнения, приблизительно выражается следующим образом:

66

Первое слагаемое, определяющее мощность жидкостного тре­ ния, обратно пропорционально величине зазора, а второе — мощ­ ность утечки, пропорционально кубической степени зазора. От­ сюда минимальное значение N при

(46)

Вобычных торцовых уплотнениях мощность утечки значи­ тельно меньше мощности трения, а величина зазора в паре трения является переменной и практически нерегулируемой.

Вгидродинамических и особенно в гидростатических уплотне­ ниях величину зазора можно регулировать в широких пределах изменением некоторых элементов их конструкций.

Вряде случаев целесообразно проектировать уплотнения с оп­ тимальными зазорами аналогично гидростатическим подшипникам [68]. Это было сделано, например, при разработке гидродинами­ ческого уплотнения рабочего колеса центробежного насоса [22].

Найденный по выражению (46) зазор может оказаться слишком малым, чтобы избежать касания трущихся поверхностей колец пары трения. В этом случае приходится увеличивать зазор, что сопровождается повышением затрачиваемой на уплотнение мощности.

БАЛАНС ТЕПЛА И ТЕМПЕРАТУРЫ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Выше для торцовых уплотнений различных типов были установ­ лены гидродинамические зависимости, связывающие их силовые и другие характеристики с физическими параметрами жидкости

взазоре пары трения. Чтобы получить замкнутую систему урав­ нений для полного определения указанных характеристик, необ­ ходимо к имеющимся уравнениям добавить уравнение баланса тепла в уплотнении. Оно позволяет найти температуру жидкости

взазоре уплотнения. Далее по эмпирической зависимости вяз­ кости жидкости от температуры определяют ее вязкость в зазоре

уплотнения. Обычно изменением плотности, теплопроводности и других параметров жидкости в зависимости от температуры можно пренебречь. Однако для газов приходится учитывать и эти зависимости, используя уравнение состояния газа.

Систему уравнений при совместном гидродинамическом и те­ пловом расчете торцового уплотнения необходимо решать методом последовательных приближений, как это делают при расчете под­ шипников.

Основными источниками тепла, выделяющегося в уплотнении, являются трение в паре и трение вращающихся частей уплотнения в уплотняемой среде. Выделением тепла в результате вибраций

и трения вспомогательных элементов (резиновые кольца, ман­ жеты, сильфоны, мембраны, пружины, поводки и пр.) можно пренебречь ввиду его незначительности.

В большинстве конструкций торцовых уплотнений тепло, выделяющееся в паре трения, значительно превосходит тепло, выделяющееся в результате трения в среде. Однако при больших частотах вращения вала (10 000—30 000 об/мин) и сравнительно малых перепадах давления (до 10 кгс/см2) наблюдается обратная картина [20].

Для составления уравнения баланса тепла рассмотрим, как отводится тепло от пары трения уплотнения (рис. 55).

В торцовых уплотнениях с обыкновенными парами трения утечки жидкостей невелики (от долей до десятков кубических сан­ тиметров в час, и поэтому отводом тепла с утечками можно пре­ небречь. В уплотнениях с гидродинамическими и особенно гидро­ статическими парами трения отвод тепла с утечками до сотен лит­ ров в час существенно влияет на температуру пары трения.

Большая часть тепла, выделяющегося в паре трения, отводится

вжидкость, окружающую уплотнения, благодаря теплопровод­ ности колец пары. Значительно меньшая часть тепла отводится

ввоздух за уплотнением. Для уплотнений, работающих на газах, оба тепловых потока могут быть одного порядка по величине. Как правило, тепловой поток в результате теплопроводности деталей (вал, корпус, крышка и т. и.), находящихся в непосредственном контакте с деталями уплотнения, значительно уступает по вели­

чине тепловому потоку в жидкость.

Запишем выражения для отмеченных выше тепловых потоков. В соответствии с рис. 55 тепло Q, выделяющееся в единицу

68

времени в паре трения, составляет (в ккал/с)

Тепло, выделяющееся при трении деталей уплотнения в жидко­ сти, можно приближенно определить, если воспользоваться вы­ ражениями для коэффициентов сопротивления вращению диска и цилиндра в камере [14]. К дискам можно отнести вращающиеся кольца торцовых уплотнений с неподвижными упругими элемен­ тами (см. рис. 11), а к цилиндрам — детали уплотнений с вращаю­ щимися упругими элементами (см. рис. 8).

Тепло, выделяющееся в единицу времени при трении деталей

где Пц, /ц — осредненные диаметр и длина цилиндрической части уплотнения.

Аналогично тепло, выделяющееся при трении деталей, близ­ ких по форме к диску,

совпадают с измеренными экспериментально (рис. 56). Выделение тепла резко возрастает при угловой скорости вращения более 400 1/с. Экспериментальных данных относительно трения уплот­ нений в жидкости весьма мало, так как его трудно отделить от трения в зазоре пары. На рис. 57, а и б показаны два уплотнения, мощность трения которых в воде и масле определяли экспери­ ментально (табл. 2 [60]). Уплотнение, показанное на рис. 57, а, потребляет мощность большую, чем уплотнение на рис. 57, б, из-за большего вихреобразования в камере. С ростом скорости вращения и вязкости жидкости потери на трение значительно уве­ личиваются. В частности поэтому для высоких скоростей вращения валов и особо вязких жидкостей применяют уплотнения с непод­ вижным упругим элементом.

69