книги из ГПНТБ / Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения

осевую силу, действующую на ротор. Торцовый зазор А контакт­ ного уплотнения ограничивает переток жидкости между рабочими полостями.

Конструкции дисковых уплотнений, рассмотренные выше, мо­ гут образовывать как торцовый зазор (рис. 7, а), кольцевая по­ лость которого перпендикулярна оси вращения ротора, так и за­ зор, кольцевая полость которого образует некоторый угол с осью вращения ротора (рис. 7, б).

І На рис. 8 представлена конструкция бесконтактного уплотне­ ния, используемого в насосах типа СОТ и Н Д [33]. Уплотнение

может устанавливаться взамен сальниковых, с которыми постав­ ляются указанные насосы, и состоит из неподвижного корпуса 1, в котором свободно вращается вал насоса. На вал устанавливается вращающийся диск 2, имеющий радиальный прилив с фланцем 5, к которому крепится диск 6 с вращающимися лопастями 4. Внутри вращающейся камеры, образованной этими элементами, установ­ лена неподвижная камера 3, которая с помощью патрубка 7 со­ единена со всасывающей полостью насоса.

В процессе работы насоса часть перекачиваемой жидкости через зазор между неподвижным корпусом 1 и вращающимся диском 2 попадает во вращающуюся камеру, заполняет ее и под действием центробежных сил отбрасывается к периферии. Ра­ диальные лопасти 4 в этом случае работают как лопастное уплот-

20

пение, препятствуя перетоку рабочей среды в атмосферу. В тех случаях, когда рабочая среда попадает в зазор между вращаю­ щимися лопастями и неподвижным корпусом, она отводится через отверстия в нем через патрубок 7 на всасывание насоса. Уплотне­ ния аналогичного типа получили распространение в химическом машиностроении как для малогабаритных аппаратов с перемеши­ вающими устройствами, так и для аппаратов общепромышлен­ ного назначения вместимостью до 50 м3.

Рассмотренные конструкции бесконтактных уплотнений исполь­ зуются в основном в химическом машиностроении. Однако разви­ тие космических исследований и связанных с ними поисков кон­ струкций бортовых систем источников энергии для космических аппаратов потребовало создание принципиально новых конструк­

2,5 кгс/см2, требуется создание высокоэффективных бесконтактных уплотнений. Использование торцовых контактных уплотнений в

цели позволяет несколько снизить потери энергии, однако вели­ чина этих потерь все же остается значительной. Переход на дина­

В конструкции предусмотрена специальная ловушка жидкости, применение которой позволяет собрать протечки жидкого калия, двигающиеся в вакуумную камеру, и возвратить их в результате применения специального сепаратора в уплотнительную зону. Проникновение паров калия в вакуумную зону дополнительно ограничивается молекулярным насосом. В целях снижения тем­ пературы уплотнения предусмотрено его наружное охлаждение,

21

позволяющее поддерживать его температуру, например, на уровне 315° С, в то время как опорные подшипники такой системы рабо­ тают при более высокой температуре, например при температуре 430° С.

Использованная конструкция винтового бесконтактного уплот­ нения позволила решить три задачи: 1) создать радиальное бескон­ тактное динамическое уплотнение для жидкого калия; 2) обеспе­ чить строго .ограниченную величину утечек жидкого калия и его паров чер'ез зону уплотнения; 3) повысить к. п. д. системы.

Рис. 10. Схема трехступенчатого лабиринтно-вихревого уплотнения [13]

Дальнейшие исследования в этой области [6, 7, 32] показали возможность улучшения рабочих характеристик динамических уплотнений за счет применения лабиринтно-вихревых уплотнений.

На рис. 10 показана схема трехступенчатого лабиринтно-вихре­

80 кгс/см2 возникла утечка жидкости сначала через последнюю ступень уплотнения, а при давлении более 90 кгс/см2 — через по­ следующие. Эррозионного износа уплотнение не имело.

22

Г Л А В А II

Б Е С К О Н Т А К Т Н Ы Е У П Л О Т Н Е Н И Я С Т А Т И Ч Е С К О Г О Д Е Й С Т В И Я

Кольцевые уплотнения являются наиболее простым видом бес­ контактных уплотнений статического действия, используемых для уплотнения валов с вращательным движением. Уплотнения этого типа обычно выполняют функцию передних и задних уплотнений рабочих колес насосов [26], а также функцию концевых предконтактных уплотнений. Кольцевые уплотнения снижают или коли­ чество жидкости, перетекающей из камеры в камеру в результате чего увеличивается к. п. д. системы, или давление рабочей

При неподвижных валах (осях) такое уплотнение уже не может рассматриваться как система, основным назначением которой яв­ ляется ограничение или препятствие перетоку жидкости из ка­ меры в камеру. В этом случае уплотнение уже является неподвижным статорным элементом машины или аппарата [8, 63], основным назначением которого является формирование организованного движения жидкости в системе, а не его огра­ ничение.

В зависимости от конструктивных ограничений кольцевые уп­ лотнения могут иметь минимальную утечку жидкости, максимально возможный перепад давления или минимально возможные гео­ метрические размеры.

Практика конструирования кольцевых уплотнений показы­ вает, что несмотря на столь разные требования гометрические размеры уплотнениям параметры, их определяющие, являются взаимозависимыми и поэтому они могут быть объединены в единый безразмерный комплекс путем теоретического решения задачи о движении жидкости в каналах уплотнения или путем использо­ вания теории, подобия.

24

4 . А н а л и з л а м и н а р н о г о д в и ж е н и я ж и д н о с т и в з а з о р е н о л ь ц е в о го у п л о т н е н и я

Характеристики, определяющие особенности движения жидкости в каналах кольцевого уплотнения, могут быть получены на основе решения уравнений Навье—Стокса. На основании этих

I библиотека G C C '

При этом справедливым являются зависимости р = f (г) и = const, показывающие, что давление является лишь

функцией одной координаты г.

Следует отметить, что последнее выражение предопределяет отсутствие влияния входа в уплотнение и выхода из него на гидро­ динамические особенности движения жидкости в нем. Поэтому зависимости, полученные на основании рассматриваемого анализа, могут быть использованы лишь для уплотнений, относительная

длина которых значительна и превышает > 10. В тех же

случаях, когда относительная длина кольцевых уплотнений не­ велика, при их расчете следует учитывать влияние входа и вводить соответствующие коррективы как в величину коэффициента со­ противления, так и в величину протечек жидкости.

Считая, что радиальный зазор б уплотнения невелик по сравне­

положение зазора относительно вертикальной плоскости. Система уравнений (1) может быть решена при следующих гра­

vz = V A ,

и безразмерное давление p

26

р - р0+ ( ~І) р1+ (~k) Р*+

Подставляя безразмерные комплексы иф, ѵг, vz и р, представ­ ленные степенными рядами (5), в систему (За) и собирая члены

27

Po = 0.

Эта система при использовании граничных условий может быть приведена к виду

иФ0 = л;

(8)

о*„ = Т*№ — Л).

где

__ _^£ dPo

Y ~ 2 dz •

Протечка жидкости через уплотнение определяется для этого случая зависимостью

2я 6

Qo = Jd 0 Jr»Z()/?d#.

оо

Подставляя в это выражение уравнения (8) и учитывая, что

dR = — Ai?or dt),

получаем выражение

2я 1

Qo = ö0RV! - £ ^ - \ d Q \ ( r f - r i)dy],

о о

которое для граничных условий а|е=0 = ПО преобразуется к виду

Подставляя в эту зависимость значения безразмерных величин, окончательно получим

Обычно при расчетах потерь давления dp в любых гидроди­

намических каналах принято связывать потери давления со сред­ ней скоростью 'жидкости в этих каналах путем введения безраз-

28