Файл: Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 72
Скачиваний: 1
Т а б л и ц а 2
Мощность в Вт
|
Уплотнение |
Среда |
1800 об/мин |
|
|
|
|
|
о Осо |
1 |
0 |
|
|
|
° |
|
|
Рис. |
57, а |
Масло |
50 |
20 |
|
|
|
Вода |
10 |
— |
|
Рис. |
57, б |
Масло |
15 |
10 |
|
|
|
Вода |
— |
— |
|
3600 об/мин
30° с |
80° с |
200 |
50 |
25 |
— |
50 |
20 |
10 |
— |
Как было установлено в работе [14] по исследованию трения жидкости в зазоре между двумя вращающимися цилиндрами, характер движения жидкости и величина момента трения сильно зависят от того, вращается ли внутренний цилиндр, а наружный неподвижен, или наоборот. В первом случае (условие работы большинства торцовых уплотнений), для которого справедлива
Рис. |
57. Схемы уплотнений (среда—вода; масло v = 50 сст (30° С), |
V = |
15 сст (80° С), у » 0,85) [60] |
формула (50), силы инерции вращения жидкости вызывают не устойчивость и вихреобразование еще до наступления турбулент ного режима течения.
При вращении наружного цилиндра силы инерции оказывают стабилизирующее действие на течение жидкости и ламинарный режим течения может сохраняться при весьма больших числах Re. Отсюда в конструкциях таких уплотнений (например, уплотнения некоторых центрифуг или полых валов), когда камера уплотне ния вращается, моменты трения следует определять по формулам ламинарного течения жидкости.
Условия отвода тепла в жидкость от уплотнения неразрывно связаны с динамикой течения жидкости в камере уплотнения, от которой зависят коэффициенты теплоотдачи пары трения. Зави симости этих коэффициентов от чисел Рейнольдса Re, Прандтля Рг, Грасгофа Gr и т. д. могут быть взяты из теории теплопередачи
70
[14], как это было сделано, например, в работах [20, 21, 58]. Аналогично используют зависимости теплопередачи и при расче тах подшипников скольжения.
Если воспользоваться данными работы [58], то для коэффи циента теплоотдачи а 0 неподвижного кольца пары трения в жид кость имеем
Nu = |
= 0,023Re°’8Pr0’4, |
(51) |
|
где X — коэффициент |
теплопроводности среды; |
D — наружный |
|
диаметр кольца; Re = |
|
-----число Рейнольдса |
осевого потока |
вкамере уплотнения; Рг —- у -----число Прандтля.
Для вращающегося кольца пары трения [58]
|
NuB= |
= 0,135 [(2Re2B+ Re2 + |
Gr) P r f 33, |
(52) |
|||
где |
a B— коэффициент |
теплоотдачи; ReB= —^ ------число |
|||||
Рейнольдса |
вращения жидкости |
в камере |
уплотнения; |
Gr = |
|||
SDl |
х |
(Тс — Тж) а 0 •— число |
Грасгофа; |
Тс, Тж, av — тем |
|||
= —^2 |
|||||||
пература стенки кольца, температура и коэффициент объемного расширения жидкости соответственно.
Для газа вместо (Тс — Тж) а,, следует подставить (Гс ■— Тг)/Тг. Выражения (51) и (52) справедливы для турбулентного движе ния среды, окружающей уплотнение, которое наблюдается в боль шинстве случаев работы торцовых уплотнений. Если же движение ламинарное, то теплоотдача от колец пары трения в среду менее интенсивна. Однако и трение вращающихся деталей уплотнения в жидкости становится меньше, чем при турбулентном режиме. Соответствующие выражения для коэффициентов теплоотдачи и трения вращающихся плоских и цилиндрических поверхностей
можно найти в работе [14].
Для большинства торцовых уплотнений отвод тепла в окру жающий воздух (Q2 на рис. 55) незначительно влияет на общий баланс тепла и им можно пренебречь. В уплотнениях, работающих при высокой температуре на газовых средах, его следует рассчи тывать по соответствующим выражении теплопередачи в газовую среду с учетом отвода тепла излучением. Для таких уплотнений значительная часть тепла может передаваться через сопряженные с парой трения детали (вал, корпус, крышка, вспомогательные уплотнения и др.) благодаря теплопроводности колец пары и этих деталей (Q3 на рис. 55).
71
t v I
4}ЯWX! R S' x = %S
нs s4 «S =f X
jSf- 5 я
£■< о a)
о н
4>a»s
H с о
U£
cd Q.
»o.« _ о
to S J5ffl
«оIО. О
1» r>>1 Я-—
; о п Й0.0
a. yv© h j
S а и &Л О с£п
т=о,ю
Из теории теплопроводности тел из вестно, что даже для тел простой формы распределение температуры и поток тепла выражаются весьма сложными зависимо стями. Наиболее близким к кольцу по форме является полый короткий цилиндр. При нахождении распределения темпера туры в кольце задаются граничными усло виями на его поверхностях. В наиболее общей форме с использованием преобразо ваний Ханкеля эта задача для торцовых уплотнений решена в работе [20].
Методы численного интегрирования и электротепловой аналогии позволяют сравнительно просто находить распреде ление температуры по сечению кольца при произвольной его форме и произволь ных условиях отвода тепла на границах. Так, в работе [69 ] методом численного ин тегрирования получены кривые распреде ления температуры для трех форм сече ния кольца (рис. 58, а—в). При расчете принимали, что выделяющееся в паре тре ния тепло отводится от кольца только через его наружную цилиндрическую по верхность в среду с температурой Тж. Остальные поверхности кольца считали теплоизолированными.
Кривые и цифры на рис. 58 относятся к безразмерной температуре
|
Т = ( Т - Т Ж) ^ - , |
(53) |
где |
Тж— температура среды; Q — тепло |
|
вой |
поток; D u b — средний диаметр и |
|
ширина поверхности трения. |
методом |
|
|
По сравнению с численным |
|
более быстрые результаты дает метод элек тротепловой аналогии. Температура коль ца моделируется электрическим напряже нием электропроводной бумаги, а удель ный поток тепла — силой тока.
Описанными методами, однако, нельзя учесть влияние кривизны колец, что до стигнуто при использовании метода, ис пользованного в работе [20 ].
Для приближенной оценки потока тепла, отводящегося от пары трения через
72
наружную цилиндрическую поверхность вращающегося кольца в рабочую среду, в работе [58] предложена полуэмпирическая зависимость
|
Q ^ n K D M T - T ^ ^ M - |
(54) |
где |
у 'а^ ф В (Ф — площадь поперечного |
сечения кольца, |
если считать, что оно имеет форму полого цилиндра высотой 1)\ А,в — коэффициент теплопроводности кольца; Т —■температура в зазоре уплотнения.
Формула (54) не учитывает тепловой ноток через неподвижное кольцо пары трения, который примерно в 10 раз меньше потока тепла от вращающегося кольца [58]. Для его оценки можно ис пользовать также формулу (54).
Для гидродинамических и гидростатических пар трения, рас ходы утечек жидкостей через которые могут составлять значитель ную величину (от литров до сотен литров в час), следует учесть
тепло, отводимое с утечками: |
|
Qi = с{Т — Тж) q, |
(55) |
где с — коэффициент теплоемкости жидкости.
Теперь уравнение баланса тепла, из которого определяют температуру жидкости в зазоре уплотнения, можно записать сле дующим образом:
Q + QB = Qi + Q2 + Q3 + Q*- |
(56) |
В торцовых уплотнениях применяют кольца пар, изготовлен ные из материалов с весьма высокими коэффициентами теплопро
водности [например, углеграфиты, |
[А,— 100 |
ккал/(м-ч-гад) ] |
|
и с низкими [например, |
фторопласты, |
К — 0,2 |
ккал/(м-ч-град) ]. |
Представляет интерес |
поэтому рассмотрение двух предельных |
||
случаев, когда А. —>оо и А, —>0.
В первом случае для обыкновенных пар трения разность между температурой в зазоре и температурой окружающей среды про
порциональна |
|
|
|
|
|
(Т - |
Тж) -г- |
а„ |
. |
(57) |
|
v |
ж/ |
|
|
|
|
Для пар трения при %—>0 |
|
|
|
|
|
/лр |
rr\ \ |
( |
b^Vт |
|
(58) |
1-* |
*ж/ |
• |
^ |
|
|
Приведем экспериментальные данные о зависимости темпера туры вблизи зазора торцового уплотнения от материалов пары трения и параметров работы уплотнения.
На рис. 59 представлены результаты измерения термопарами температуры на среднем радиусе по глубине г неподвижного
73