1. Канищевым а. Т. Рекомендуется делать на поршне канавки простого

прямоугольного сечения, так как, согласно его опытам, профиль лабиринта

мало влияет на величину утечки;

98

2. Что касается гладкого зазора как уплотнения, то по сравнению с

лабиринтным он имеет существенные недостатки, а именно:

- большое влияние величины зазора на потери газа (утечку): в области

ламинарного течения, свойственного гладкому зазору щели, утечка

увеличивается пропорционально 3-й степени зазора ; а в области

турбулентного течения, свойственного лабиринтному уплотнению, -

пропорционально 1,5 степени .

- утечка сильно зависит от положения поршня. В случае ламинарного течения

при максимальном эксцентриситете утечка увеличивается в 2,5 раза по

сравнению с концентричным положением поршня, а в случае турбулентного

течения – 1,21 раза.

- при гладкой поверхности поршня небольшое касание при отсутствии смазки

приводит к заеданию, тогда как острые гребешки лабиринтов могут отогнуться

или смяться и предотвратить заедание.

Однако, несмотря на это, гладкий зазор все же применяют для уплотнения

поршня в тех случаях, когда обычный компрессор приспосабливают для работы

без смазки. Для этого на поршень вместо колец надевают рубашку из графита,

которая, если ее плотно пригнать к цилиндру, обеспечивает поршню

направление и одновременно хорошо уплотняет газ. Иной раз на рубашке

делают несколько далеко расположенных друг от друга канавок, которые

скорее служат для улавливания твердых частиц и предотвращения образования

сквозных рисок, чем для повышения плотности уплотнения. Один такой

модернизированный компрессор сжимает хлор в четырех ступенях до 60 атм.

5.1.2. Уплотнения без зазора

Конструкции

Уплотнения этой группы работают с трением. Вызвано это тем, что элементы

уплотнения, преграждающие путь газу, прижимаются к стенке цилиндра под

давлением газа.

Задачи, решаемые в ходе проектирования конструкции:

99

- подбор пары трения, работающей без смазки;

- исключение контакта несмазываемых металлических частей, имеющих относительное перемещение;

- помимо этого, на его конструкцию оказывают существенное влияние специфические свойства применяемого антифрикционного материала (графита, фторопласта-4 и др.), а также давление, природа сжимаемого газа и даже производительность машины.

Встречающиеся в практике уплотнения этой группы можно разделить на несколько типов, основные из которых изображены на рис.5.3.

Рис. 5.3 Типы уплотнений, работающих без смазки

Во всех типах уплотнений, за исключением типа б (рис. 5.3), в качестве уплотнительных элементов используют поршневые кольца.

Наибольшей простотой отличается уплотнение а (рис. 5.3), в котором поршень со стальными поршневыми кольцами ничем не отличается от поршня компрессоров, работающих со смазкой. Скольжение колец без смазки и направление поршня осуществляется посредством графитовой гильзы цилиндра. По мере износа гильза заменяется со стальной рубашкой, увеличивающей ее жесткость и прочность.

100

Интересна конструкция типа б (рис. 5.3), в основу которой положено

известное манжетное уплотнение (неразрезное кольцо). Несмотря на то, что

рассматриваемая конструкция широко не применяется, заложенный в ней

принцип уплотнения газа иногда может оказаться приемлемым при

компримировании сильно агрессивных газов, по отношению к которым

хорошей химической устойчивостью обладают только такие материалы,

работающие без смазки, как тефлон, нейлон и другие.

В уплотнении типа в (рис. 5.3) газ уплотняет поршневые кольца из графита.

Поршень направляется различными способами. По этому признаку уплотнения

можно разделить на три вида: 1 в , 2 в и 3 в . К виду 1 в относятся такие

уплотнения, у которых на поршне, кроме уплотнительных графитовых колец,

нет никаких устройств для направления поршня.

Уплотнения вида 2 в (рис. 5.3) снабжены специальными устройствами на

поршне для его направления. Например, конструкция этого вида имеет

поршень с графитовой втулкой для направления и графитовыми кольцами для

уплотнения газа, размещенными на этой втулке.

Самым распространенным следует считать уплотнение с графитовыми

опорными кольцами, установленными на поршне (рис. 5.3, 3 в ). В отличие от

уплотняющих колец они по внутреннему диаметру плотно (с тепловым

зазором) посажены на поршень. Чаще всего устанавливают цельные кольца,

при этом используют поршень разъемной или наборной конструкции.

Конструкции поршневых колец

На рис. 5.4, а, б показаны поршневые кольца из графита, применяемые в

компрессорах без смазки.

Как уже было отмечено, специфические свойства графитового материала, и

прежде всего хрупкость, накладывают отпечаток на конструкцию колец.

Поэтому самопружинящие кольца из графита (по типу обычных металлических

поршневых колец) не нашли практического применения.

101

Наиболее распространено разрезное графитовое кольцо прямоугольного

сечения (рис. 5.3, в). Такое кольцо состоит из сегментов, чаще всего из трех,

хотя известны случаи применения колец из двух, четырех и более сегментов.

а б

Рис. 5.4. Конструкции поршневых колец

Из двух сегментов изготавливают кольца малого диаметра (20 – 30 мм), из

четырех и более сегментов, как правило, изготавливают кольца большого

диаметра (около 500 мм и выше).

Кольца сегментной конструкции имеют пружину-экспандер. Применяются

экспандеры различной конструкции – плоские, волнообразные, в виде

цилиндрических пружин и другие, - но назначение их одно: создавать упругую

силу, прижимающую кольцо к цилиндру. При этом удельное давление на

зеркало цилиндра рекомендуется выбирать в пределах 0,3 – 0,5 2 кг см , иногда

применяется и большое давление.

Для уменьшения утечки по стыкам сегментов иногда ставят по два кольца в

канавку (рис. 5.4, б), при этом стыки одного кольца смещены по отношению к

стыкам другого кольца.

Для этой же цели применяют кольца со стыками внахлест (рис. 5.5, а).

Рис. 5.5. Формы стыков сегментов

Оригинально решен вопрос уплотнения стыков в конструкциях,

изображенных на рис. 5.5, б и в. Здесь сегменты типа «клин» под давлением

пружины и газа раздвигают соседние сегменты и тем самым уплотняют стык. В

102

конструкции б используется экспандер, в конструкции в цилиндрическая

пружина передает свое усилие сегменту через Т-образный толкатель.

Методики расчета

Ф. Л. Юдицкий, проводивший такие исследования, предлагает определять

износ первого (со стороны рабочей полости) кольца паровой машины

расчетным путем

( )

0,00015 1,1

zk x

P f

r



,

где P - перепад давления между полостями цилиндра; k – показатель

адиабаты: для перегретого пара он равен 1,135; для влажного пара вместо k

подставляется степень сухости x; z – число колец на поршне; f - коэффициент

чистоты поверхности: для 7 – 8-го класса чистоты (шлифованных) – 1,0; для 6 –

7-го класса (точеных) – 1,1 – 1,15.

Для второго кольца износ составит 0,55 0,60r , для третьего –0,25 0,30r .

Существуют и другие расчетные уравнения. Однако все они содержат

эмпирические коэффициенты и ограничены в области их применения.

Поршневые кольца из фторполимерных композиции могут изготавливаться с

одним разрезом, однако этого недостаточно для эффективного начального

прижатия колец к рабочей поверхности цилиндра, поэтому такие кольца, так

же, как сегментные, снабжают экспандерами, прижимающими их к рабочей

поверхности цилиндра с давлением рк = 10 … 30 кПа.

Давление рк подсчитывают по зависимости

, 









D

D

p p экс

k экс

D D 2t, экс 

где рэкс - давление экспандера на кольцо; Dэкс - наружный диаметр экспандера;

D – диаметр цилиндра; t – радиальная толщина кольца.

Рекомендации по подбору колец

103

Фторлоновые кольца хорошо прирабатываются, и утечки через них меньше,

чем через чугунные. Поэтому число уплотнительных колец из фторлоновых

композиции выбирают меньшим, чем для чугунных, в соответствии с

наибольшим уплотняемым перепадом давления n p на поршне. Так, М. И.

Френкель рекомендует следующую зависимость (Табл. 5.1) необходимого

числа уплотнительных поршневых колец из фторлоновых композиции от

уплотняемого перепада давлений […..]:

Таблица 5.1. Выбор числа уплотнительных колец по Френкелю

Перепад давления на поршне, МПа

Число колец

Менее 0,4 2

0,4 … 2,0 3

2,0 … 7,5 4

7,5 … 15 5

Более современные рекомендации зарубежных фирм предлагают при выборе

числа уплотняющих поршневых колец учитывать тип цилиндра (табл. 5.2).

Таблица 5.2. Выбор числа уплотняющих колец по данным зарубежных фирм

Перепад давления на поршне,

МПа

Цилиндр

Простого действия Двойного действия

До 2 3 2

2…4 4 3

4…10 5 4

10…20 6 5