книги из ГПНТБ / Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов

Рис. 14. Уплотнение с овальной поверхностью трения (конструкция ВНИИГидромаша)

насоса АЭС [60]

карбида вольфрама, спеченного никелем. На неподвижных коль­ цах выполнены канавки, благодаря которым при трении в воде возникает режим трения, близкий к жидкостному.

На рис. 16 показан другой вариант уплотнения вала цирку­ ляционного насоса АЭС, применяемого для тех же условий, что и уплотнение на рис. 15 [60]. Оно состоит из двух ступеней с гидро­ статическими парами трения и последней ступени — с гидроди­ намической парой.

Кроме того, имеется аварийное уплотнение 4. Два гидроста­ тических уплотнения воспринимают большую часть перепада

1000 л/ч.

Кольца гидростатических пар трения изготовляют из хромо­ никелевой стали с покрытием их уплотняющих поверхностей окисью алюминия или окисью хрома толщиной в несколько деся­ тых долей миллиметра [60].

Кроме уплотнений высокого давления, к специальным относят также уплотнения для высокой и низкой температуры. Характер­ ным для них является применение в качестве уплотнительного и упругого элементов металлических сильфонов, которые по сравнению с уплотнительными элементами из резины и фторо- пласта-4, сохраняют свои свойства при низких (—200° С) и высо­ ких (+450° С) температурах.

Как правило, такие уплотнения работают при сравнительно небольших давлениях и средних скоростях скольжения (груп­

пы I и II).

На рис. 17 показано уплотнение вала центробежного насоса, перекачивающего среду с высокой температурой (уплотнение разработано во ВНИИГидромаше).

21

Давление среды перед уплотнением не превышает 5 кгс/см2. Частота вращения вала насоса 1500 об/мин. Неподвижный упру­ гий элемент уплотнения состоит из металлического штампован­ ного сильфона 1 и пружины 2. Неподвижное кольцо 3 пары тре­ ния установлено в обойме свободно, чтобы исключить большие температурные деформации уплотнительных поверхностей.

На рис. 18 показано уплотнение фирмы Крейн Пекинг (Англия) для насосов, перекачивающих как высокотемпературные (до +650° С), так и низкотемпературные среды (до—210° С). К послед­ ним относятся различные сниженные газы (кислород, азот и др.).

Уплотнение имеет вращающийся упругий элемент — металли­ ческий сварной сильфон 1 с S-образными гофрами. Достаточно высокая упругость сильфона (благодаря форме и материалу) позволяет устанавливать его без пружины.

По сравнению с описанными выше, менее четко выраженную по конструктивным особенностям группу составляют уплотне­

нения газовых турбин, турбокомпрессоров, высокоскоростных генераторов. Уплотнения работают как на газообразных, так и на жидких средах. При этом давление перед уплотнением может быть достаточно высоким (группа III по р).

Таким образом, по параметру pV эти уплотнения относятся к группам III и IV. Для снижения интенсивности выделения тепла в таких уплотнениях их пары трения выполняются гидродинами­ ческого и гидростатического типов.

Уплотнения имеют компактную конструкцию с неподвижными упругими элементами, снабженными жесткими (часто пластин­ чатыми) пружинами и легкими неподвижными кольцами пар трения. Это исключает возможность резонанса и раскрытия стыка пары трения при высоких скоростях вращения валов.

На рис. 19 показано уплотнение высокоскоростного генера­ тора (фирма Бургман, ФРГ). Оно работает на масле, охлаждаю­ щем генератор, с давлением 17,5 кгс/см2, температурой до 125° С при частоте вращения вала до 11 500 об/мин.

Уплотнение имеет неподвижный упругий элемент и уплотни­ тельные резиновые кольца круглого сечения. Канавки на поверх­ ности трения пары (как и в уплотнении на рис. 15) обеспечивают лучшую смазку и охлаждение.

Гидростатическое уплотнение для высоких скоростей скольже­ ния, показанное на рис. 20 (фирма Рато, Франция), предназна­ чено для валов турбокомпрессоров при давлении газа до —300 кгс/см2. Его устанавливают на валы диаметром от 50 до 200 мм, вращающиеся с частотой до 16 000 об/мин. Пара трения уплотнения, состоящая из вращающегося кольца 1 и неподвиж­ ного 2 (см. рис. 20, а), выполнена с гидростатическим уравнове­ шиванием трущихся поверхностей. Это уравновешивание дости­ гается подачей насосом в зазор пары масла под давлением, не-

22

Рис. 20. Гидростатическое уплотнение турбокомпрессора: а — разрез; б — принципиальная схема

23

Г л а в а II

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ

Если сравнить торцовые уплотнения с упорными подшипниками скольжения, то между ними можно установить большое сходство как в кинематике, так и динамике рабочего процесса. Между тем теория и расчет подшипников скольжения развиты к настоящему времени настолько, что по объему, глубине и соответствию дей­ ствительности они превосходят теории и расчеты других узлов машин. Этого пока нельзя сказать о теории и расчете торцовых уплотнений.

Чем можно объяснить такое состояние этого вопроса? В пер­ вую очередь, трудностями исследования рабочего процесса тор­ цовых уплотнений, что связано с малой величиной зазоров в их парах трения. Зазоры в торцовых уплотнениях на порядок меньше, чем зазоры в подшипниках. Отсюда значительно большее, чем у подшипников, влияние материалов и их обработки на работо­ способность пар трения торцовых уплотнений.

Вторым фактором, затрудняющим исследование торцовых уплотнений, является огромное разнообразие сред, в большинстве случаев не имеющих удовлетворительных смазывающих свойств. Отсюда еще более возрастает значение материалов в парах тре­ ния. Сочетание малых зазоров с плохими смазывающими свой­ ствами сред при значительных скоростях скольжения и нагруз­ ках, зависящих от перепадов давления, действующих на уплот­ нения, весьма существенно повышает роль тепловых явлений в их парах трения.

По этим же причинам затруднено и экспериментальное иссле­ дование уплотнений. Экспериментальные исследования торцовых уплотнений отличаются противоречивостью данных, узостью обла­ сти исследований и недостаточным совершенством техники изме­ рений. В результате до настоящего времени нет единой точки зрения относительно основных факторов и механизма рабочего процесса торцовых уплотнений.

Все сказанное относится к большинству торцовых уплотнений обычных конструкций. Однако с расчетом некоторых разновидно­

26

стей конструкций торцовых уплотнений дело обстоит более бла­ гополучно. К ним можно отнести уплотнения, работающие при больших зазорах и, поэтому, по своему рабочему процессу более близкие к подшипникам.

Все торцовые уплотнения по величине рабочих зазоров и усло­ виям смазки их пар трения можно разделить следующим образом (указаны средние зазоры с шероховатостью поверхностей, соот­

(более 5 мкм). В соответствии с величиной зазоров обыкновенные торцовые уплотнения (их большинство) работают в режиме полужидкостного трения, гидродинамические — в режиме частично полужидкостного, переходящего в жидкостное трение, и гидро­ статические — в режиме жидкостного трения. Подшипники же работают в основном в режиме жидкостного трения и небольшая их часть — в режиме полужидкостного и граничного трения. Разница объясняется просто: в уплотнениях чем меньше толщина слоя жидкости, тем они герметичней и тем выгодней для эксплу­ атации; для подшипников — наоборот, чем больше толщина слоя, тем они более долговечны.

Независимо от характера режима трения в уплотнении расчет его пары трения, как и любого узла трения, проводится по следую­ щей схеме:

1.Определение силовых и гидродинамических характеристик пары трения при неподвижном вале.

2.Определение силовых и гидродинамических характеристик пары трения при вращающемся вале.

3.Определение сил трения и выделяющегося тепла в паре трения.

4.Определение температуры в паре трения.

5.Корреляция температуры с силовыми факторами и трением и, если необходимо, повторение расчета по пп. 2—4.

6.Оценка влияния взаимодействия элементов конструкции уплотнения, силовых, температурных деформаций и неравномер­ ности распределения температуры пары трения на закономерно­ сти движения жидкости в ее зазоре.

Кроме расчета пары трения, являющейся основной частью любого уплотнения, рассчитывают и другие конструктивные эле­ менты уплотнения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРЫ ТРЕНИЯ ПРИ НЕПОДВИЖНОМ ВАЛЕ

Обеспечение герметичности торцовым уплотнением в статике (при неподвижном вале) является одним из требований, предъявляемых к его работе. По сравнению с динамикой (при вращении вала) условия работы в статике значительно более легкие, так как нет трения, износа, выделения тепла в паре трения и не действуют

27

дополнительные силы и моменты на элементы уплотнения. При рас­ смотрении зазора пары трения в статике можно обнаружить, что

Таким образом, сила, прижимающая одну поверхность к дру­ гой, воспринимается выступами шероховатости и давлением жид­ кости, заполняющей зазор пары трения. С увеличением силы при­ жатия площадь контактов шероховатостей увеличивается, а сред­

деленная на номинальную площадь контакта, равна среднему удельному давлению в паре руд (см. рис. 23, б). Обычно площадь твердого контакта мала по сравнению с площадью, покрытой слоем жидкости в паре трения торцового уплотнения, поэтому можно принять, что жидкость располагается по всей площади контакта. Значение руд важно знать, так как оно совместно со скоростью скольжения определяет режим трения в уплотнении, а следова­ тельно, интенсивность износа, утечку и т. д.

На рис. 24, а показано внутреннее торцовое уплотнение с вра­ щающимся упругим элементом (справа — вращающееся кольцо пары трения с приложенными к нему силами).

На вращающееся кольцо пары трения действует давление р, сила пружины F, сила трения резинового кольца по валу Тг и среднее удельное давление руд. Составляя уравнение равновесия сил, получим

где d, Dj, D 2 — диаметры вала и площади контакта.

Как видно из формулы (1), с увеличением гидравлической раз­ грузки, т. е. с уменьшением значения многочлена в скобках, руд уменьшается. Цель гидравлической разгрузки уплотнения (точ-

28

ности.

Конструктивно гидравлическая разгрузка производится с по­ мощью ступенчатого вала (см. рис. 24, б), при котором D x полу­ чается меньше d.

Формула (1) несколько изменится для внешних торцовых уплот­ нений, так как в этом случае давление не действует на вращаю-

щееся кольцо со стороны, противоположной стыку пары трения, а давление в зазоре уменьшается от внутреннего диаметра

к внешнему D 2. Для внешнего торцового уплотнения имеем

Гидравлическая разгрузка внешнего торцового уплотнения производится таким же способом, как и внутреннего.

Формула (1) справедлива и для внешних уплотнений с непо­ движным упругим элементом (рис. 25, а), где за размер d нужно принять диаметр неподвижной втулки.

29