книги из ГПНТБ / Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения

ограниченных неравенством ReQ < 5 -ІО3, следует пспользо-

S 3 . Н а р е з к а с п е р е м е н н ы м и п а р а м е т р а м и

Как уже отмечалось, основой работы винтовых'и лабиринтно­ вихревых уплотнений является наличие в их каналах боЛее или менее крупных вихрей,' образующихся при обтекании нарезок уплотнения со срывом струй. Чем больше энергии этих вихрей, т. е. чем больше турбулизация потока, тем больше эффективность уплотнений.

В лабиринтно-вихревых уплотнениях этот периодический пульсационный увихревой процесс может быть нарушен путем исклю­ чения симметричного характера нарезок на винте и втулке. Эта асимметричность должна в еще большей степени увеличить эф­ фективность лабиринтно-вихревых уплотнений, поскольку неупо­ рядоченность движения есть основа турбулентного потока [27 ], а неустановившееся турбулентное движение связано с большей потерей энергии [44].

Вопросы эффективности неидентичных нарезок на винте и втулке уже рассматривались применительно к лабиринтным на­ сосам [7], однако это рассмотрение было ограничено лишь вопро­ сами влияния числа нарезок. Неравномерность остальных эле­ ментов нарезки— угла наклона винтовой линии а и глубины на­ резки h — в указанной работе не рассматривалась. Более того, как это было показано выше при сопоставлении характеристик лабиринтно-вихревых уплотнений и лабиринтных насосов, ха­ рактеристики последних определяются законами, отличными от первых, поэтому в нижеследующем разделе особое внимание уде­ лено рассмотрению влияния неравномерности нарезок на эффек­ тивность уплотнений лабиринтно-вихревого типа.

В работе [7 ] было показано наличие турбулентных синусои­ дальных пульсаций в каналах лабиринтного насоса. Частота и ам­ плитуда колебаний возрастают с ростом окружного и осевого кри­ териев Рейнольдса. При этом абсолютная величина пульсаций, например давления, составляет до 3% абсолютного давления жидкости, чем и обусловливается высокая эффективность на­ сосов этого типа.

130

Как показали исследования, турбулентные пульсации в ла­ биринтно-вихревых уплотнениях имеют еще более высокий поря­ док.'' Однако синусоидальный характер этих пульсаций сохра­ няется и в уплотнениях. И лишь только переход на несимметрич­

Опытные данные, представленные на рисунке и объединенныеединой кривой 1, показывают наличие увеличения-эффективности

уплотнения, имеющего - ^ < 1,0 ■ и уменьшения его эффектив­

Эти соотношения в пределах точности эксперимента не зависят от критериев Reu и ReQ и от длины уплотнения.'

чительными трудностями технологического порядка, так как не­ равенство (98) не может рассматриваться как абсолютное. Дей­ ствительно, изменение, например, числа заходов нарезки от зна­ чения zB = zBT = 8 до значения zBT = 16 и zB = 8 увеличивает эффективность уплотнения почти в три раза, однако это увеличе­ ние не может компенсировать низкую его эффективность, вызван­ ную первоначальным выбором неоптимального числа заходов на винте и втулке. Поэтому в качестве основы для оптимального про­ ектирования лабиринтно-вихревого уплотнений, имеющих раз­ личное число заходов на винте и втулке, первоначально рекомен­ дуется выбрать оптимальное число заходов нарезки г (zDT = zB), ориентируясь на данные, приведенные на рис. 73 или используя зависимости (91)—(94).

Исходя из технологических соображений следует ограничить значение г разумным пределом, поскольку в области г > 18-г-20 влияние числа заходов нарезки на эффективность лабиринтно­ вихревого уплотнения не столь значительно.

Дальнейшее увеличение эффективности лабиринтно-вихревых уплотнений следует осуществлять не за счет увеличения числа за­ ходов нарезки z на втулке и винте, а только за счет увеличения числа заходов на винте, добиваясь соотношения zBT и zB, опре­ деляемого неравенством (98). При этом коэффициент сопротивле­

постоянные величины которого в зависимости от диапазона значе­

-52- —>0 характеризует переход лабиринтно-вихревого уплотне-

132

перехода для случая— —»

личение эффективности уплотнения и связано со значительными технологическими трудностями, то неравенство (100) еще раз подтверждает правомерность рекомендаций, определенных нера­ венством (98).

Аналогичное влияние на эффективность лабиринтно-вихревых уплотнений оказывает также соотношение глубины нврезок на втулке /івТ и винте Іів.

При анализе работы винтовых уплотнений было отмечено более существенное влияние на их эффективность наличия нарезок на неподвижной втулке по сравнению с нарезками на винте. Эта осо­ бенность винтовых уплотнений определяется способностью даже гладких валов создавать вихревое циркуляционное движение в за^ зоре, взаимодействие которого с нарезкой на неподвижной втулке обусловливает увеличение эффективности уплотнения ■ по сравне­ нию с его эффективностью в том случае, когда вихревое цирку-

азз

ляционное движение в зазоре создается нарезкой на винте н когда это движение взаимодействует с гладкой поверхностью неподвиж­ ной втулки.

В случае лабиринтно-вихревого уплотнения циркуляционное -вихревое движение в любом случае создается нарезкой на винте. Эффективность такого уплотнения, естественно, зависит от сте­ пени взаимодействия этого движения с неподвижной нарезкой на втулке и связана с глубиной этой нарезки, поскольку относи­ тельно малая глубина нарезки на втулке лишь в незначительной степени влияет на степень возмущения циркуляционного движе­ ния в зазоре. С другой стороны, и значительная глубина нарезки на втулке неэффективна, так как циркуляционное вихревое дви­ жение жидкости в зазоре взаимодействует лишь с верхушками такой нарезки в то время как в области ее впадин имеет место вну­ тренне локальное вихревое движение, не отражающееся на уве­

Пэ ? - * 1'0)

ивинте которого различна, т. е. /івТ =j= hB.

Опытные данные, представленные на рис. 78, объединены пря­ мыми 6 и 7, выраженными уравнением

Кн = А н

постоянные которого приведены в табл. 11.

Анализ представленных данных показывает, что для получения максимальных коэффициентов сопротивления лабиринтно-вихре­ вого уплотнения целесообразно применять неравномерную глу­

134

определяется по выражению

Отметим, что зависимости (98)— (101) справедливы для уплот­ нений, геометрические и кинематические параметры которых из­ меняются в пределах

0,05 =

Ы0-3< 4<Ы 0-4;

характеристику лабиринтно-вихревого уплотнения, является угол

135

Следует отметить, что приведенные в настоящем разделе дан­ ные о влиянии неравномерности элементов нарезок на винте и втулке на эффективность уплотнения получены в результате иссле­ дований влияния, раздельных z, h и а . При совместном использо­

поскольку во всех трех рассмотренных случаях причина увеличения эффективности уплотнений одна — увеличение неравномер­ ности потока в каналах уплотнения и нет оснований ожидать зна­ чительного увеличения этой неравномерности при одновременном использовании, например неодинаковых значений z и а на винте и втулке.

2 6 . Г е о м е т р и ч е с н и е р а з м е р ы и н р и т е р и й Р е й н о л ь д с а

Основой расчета уплотнений любого типа является возмож­ ность распространения эмпирических зависимостей, полученных на основании ограниченного числа экспериментальных данных, на более широкий диапазон значений по геометрическим и гидро­ динамическим параметрам. Естественно, что при этом должны быть соблюдены основные требования теории подобия — сохранение по­ стоянными критериев и симплексов подобия.

Для определения зависимостей, позволяющих распространить полученные выше данные на большую область значений диаметров уплотнения и значений критерия Рейнольдса, были проведены экспериментальные исследования уплотнений, основные харак­ теристики которых приведены в табл. 12.

136

цией основной геометрической характеристики уплотнения;— его q

уплотнения от указанных в табл. 12, следует провести перерасчет зависимостей в соответствии с данными, приведенными в преды­ дущих разделах.

Следует отметить, что формула (103) справедлива лишь для ламинарной области работы в случае наличия вихрей Тейлора и протечек жидкости через уплотнение. В тех случаях, когда основ­

137

и поэтому для таких уплотнений справедлива зависимость-ду-= = const. Однако в тех случаях, когда длина уплотнения находится

вых и лабиринтно-вихревых уплотнений следует вводить поправку учитывающую, как и в случае кольцевых уплотнений, особенности условий движения жидкости на входе в уплотнение и выходе из него.

Вводя параметр

представляющий собой отношение коэффициента сопротивления уплотнения бесконечной длины к аналогичному коэффициенту для уплотнения, длина которого стремится к нулю, и обрабатывая опытные данные для ReQ >• 10, получим зависимость

A Q = 1,1 == const,

справедливую для винтовых уплотнений, и выражение

A Q = 1,38 = const,

справедливое для лабиринтно-вихревых уплотнений.

При 0 ReQ «s; 10 величина A Q зависит от ReQ и может быть определена по выражениям .

A Q = 1,05 Re°Q'05 и A Q = l,27Re°Q’05,

первое из которых может быть использовано при расчете винто­ вых, а второе— при расчете лабиринтно-вихревых уплотнений.

Для предельного случая нулевых утечек через уплотнение

винтовой линии нарезки уплотнения от диаметра уплотнения и осе­ вого. шага нарезки

Отметим, что величина осевого шага 50с зависит от размеров ходового винта токарного станка и поэтому не может быть выбрана произвольной *, в то время как величины ß и г должны быть

* Отечественные токарно-винторезные станки позволяют получить нарезки со значениями S ' c, равными 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 32, 36, 40, 44,

48; 56, 64, 72, 80, 88, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 200, 224 и 240 мм.

139