05 0,6 0,7 0,8 Гг

Рис. 8.57. Диаграмма устойчивости газостатического уплотнения с пористым ароссе-лем при осевых {т - F) и угловых (/„ - fz) возмущениях. / - область устойчивости; -область неустойчивости; III - область раскрытия уплотнительного стыка

Уравнение (8.33) распадается на два, из которых определяют частоту колебаний на границе области устойчивости сог (для этого рещают неявное уравнение Вгг (юс) -f Во = 0) и пороговое значение массы подвижного кольца т„=(К„{(ас) + + Ko)liu\.

Условие устойчивости имеет вид

т < т„.

Источником осевых автоколебаний в уплотнениях является сжимаемость среды в зазоре. Неустойчивость, вызванную сжимаемостью среды, называют «пневмомолот». На рис. 8.57 приведена диаграмма устойчивости для уплотнения с пористым дросселем, которая характерна для газостатических уплотнений. Для несжимаемых сред сумма Bzz + Bo всегда положительна, поэтому осевые автоколебания в уплотнениях, работающих в несжимаемых средах, не возникают.

Следует отметить, что наличие в рабочих жидкостях растворенных газов существенно повышает их сжимаемость и может явиться причиной неустойчивости гидростатических уплотнений.

Вынужденные осевые колебания. Амплитуду и фазу \/ колебаний определяют из третьего уравнения системы (8.31):

/(К„ + Ко- molf + со? (В„ + ВоУ

(8.34)

Ф = arctg -

-I- Ао - mat

Вынужденные колебайия, описываемые соотношениями (8.34), вызваны осевой вибрацией машины, передающейся на одно из уплотнительных колец (в рассматриваемом случае на вращающееся кольцо, которое жестко связано с валом). При отсутствии вибрации (Я, = 0) амплитуда вынужденных колебаний А должна быть равна нулю. Однако в этом случае возможны вынужденные колебания, обусловленные торцовым биением вращающегося кольца и влиянием угловых перемещений уплотнительных колец на осевые перемещения, которыми при больших перекосах в уплотнительной паре пренебречь нельзя. Соотношения (8.34) не позволяют рассчитать амплитуду осевьгх колебаний, вызванньгх торцовым биением вращающегося кольца, но дают оценочное значение резонансной частоты уплотнения.

При конструировании уплотнений стремятся уменьшить амплитуду вынужденных колебаний. С этой целью рекомендуется повышать частоту сОк = = [(Кгг + Ко)/т]/ собственных колебаний системы подвижное кольцо - жидкостный слой и увеличивать демпфирование + Во. Если источником вынужденных осевых колебаний является переносная вибрация машины, прибегают к снижению динамического воздействия на уплотнение. Это достигается, например, заменой жесткой установки уплотнительных колец упругим креплением.

В бесконтактных гидродинамических и гидростатических уплотнениях важно предотвратить контакты уплотнительных поверхностей. С этой целью необходимо, чтобы амплитуда А вынужденных осевых колебаний кольца относительно неподвижного (жестко установленного) кольца бьша значитель-

но меньше среднего уплотнительного зазора ho-

Устойчивость равновесного положения уплотнения при угловых возмущениях.

Условия возникновения неустойчивости определяют из первых двух однородньгх уравнений системы (8.31), из которых подстановкой а; = Ае"*, = Хус™, описывающей угловые колебания в уплотнении на границе области устойчивости, исключают время t.

Параметры границы области устойчивости определяются равенствами:

К1ф- {Кхх + Куу + 2Ко) Кэф +

СОс =

(Вхх + Во)(Вуу + Во)-+ (Кхх + Ко) {Куу + Ко) - КхуКух J

- ВхуВу

(8.35)

где Ко, Во - коэффициенты жесткости и демпфирования вторичных уплотнительных элементов при угловых перемещениях подвижного кольца;

Кэф =

(Кхх + Ко) (Вуу + Во) + (Куу + Ко)к Вхх + Вуу + 2Во

Вхх + Во) ~ КхуВух - КухВху

Условие устойчивости имеет вид

1<1и.

Для несжимаемых сред частота колебаний на границе области устойчи-

Анализ показывает, что в уплотнениях для несжимаемых сред угловые автоколебания вызывают гидродинамические процессы в зазоре. Характерно, что отношение частоты автоколебаний Юс к частоте вращения Юв в этом случае близко к 0,5 или меньше этого значения.

Неустойчивость, обусловленную гидродинамическими процессами, называют «полускоростным вихрем».

Неустойчивость уплотнений для сжимаемых сред может быть вызвана гиродинамическими процессами и сжимаемостью среды. Обычно в этом случае отношение сос/юв > 0,5.

Типичная для газостатических уплотнений диаграмма устойчивости по отношению к угловым возмущениям показана на рис. 8.57.

Вынужденные угловые колебания. Вынужденные угловые колебания подвижного уплотнительного кольца относительно вращающегося, жестко закрепленного на валу кольца, описываются первыми двумя уравнениями системы (8.31).

Решение этих уравнений имеет вид

= их cos eoot + bx sin ю,(;

a,, = йу cos Mjf + by sin Юв(,

(8.36)

где их, bx, Oy, by - коэффициенты, определяемые из системы линейных алгебраических уравнений:

Кхх + Ко- lal сОв (Вхх + Во) Кху Юв (Вхх + Во) Кхх + Ко - I(al - (оВху

(ОвВху Кх.

-(OsByx

ЮвВ,, К,х

Куу + Ко - lai ah(Byy + Во) - Юв (Вуу + Во) Куу + Ко - 7ю

Ьх = 7ю ау

вости ис определяется ~ из первого уравнения (8.35) в явном виде. Для сжимаемых сред ввиду зависимости силовых коэффициентов от частоты колебаний Юс определяют с помощью методов, применяемых при решении нелинейных алгебраических уравнений.

Из равенств (8.36) следует, что в общем случае подвижное кольцо совершает прецессионное движение относительно вращающегося. При этом точки подвижного кольца (точнее вектор ax + i<Xy), соответствующие максимальному зазору, движутся по эллиптической траек-

Конструкщи торцовых уплотнений

Конструктивные схемы и выбор уплотнений

тории. Максимальное значение углового перекоса

Otmax -

-(al+al-bl- blf + (a,bx + ay)-

(8.37)

Для предотвращения контактов в уплотнениях гидродинамического или гидростатического типов должно быть выполнено условие Отах < hjri.

С использованием формулы (8.37) можно построить амплитудно-частотную характеристику уплотнения при угловых колебаниях подвижного кольца, анализ которой дает резонансную частоту уплотнения по отношению к угловым колебаниям. Эффективным средством увеличения резонансной частоты является повышение гидромеханической жесткости. Это достигается, например, увеличением коэффициента гидравлической нагрузки уплотнительной пары.

Глава 9

КОНСТРУКЦИИ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ

9.1. KoHcrpyicTiraHbie схемы и выбор уплотнений

Принципиальные схемы одинарных торцовых уплотнений. В любом торцовом уплотнении можно выделить семь конструктивных элементов (рис. 9.1). Пара трения состоит из двух уплотнительных колец, прилегающих одно к другому по плоскому торцу, причем одно из колец (кольцо 6) зафиксировано либо в корпусе, либо на валу и герметизировано уплотнительным элементом 7, а другое (кольцо 4), имеющее свободу угловых и осевых перемещений, установлено в упругом элементе 1. Упругий элемент состоит из пружины 2, поджимающих упруго устанавливаемое уплотнительное кольцо к другому уплот-нительному кольцу, вторичного уплотнительного элемента 5, обеспечивающе-

12 3 4 56 7

Рис. 9.1. Торцовое уплотнение

го герметизацию упруго устанавливаемого уплотнительного кольца, и поводковой системы 5, служащей для передачи момента трения с уплотнительного кольца. Различие конструкций каждого из этих элементов и особенности их взаимосвязей обусловливают большое разнообразие конструкций торцовых уплотнений.

Принципиальные схемы одинарных торцовых уплотнений определяются следующими основными конструктивными решениями: гидравлически разгруженный или неразгруженный стык пары трения, внутреннее или внешнее расположение стыка пары трения относительно рабочей жидкости, вращающийся или неподвижный упругий элемент (см. гл. 8), внутреннее или внешнее расположение пружины относительно рабочей среды. Сочетания указанных конструктивных решений дают возможные конструкции одинарных торцовых уплотнений. Выбор конструктивной схемы определяется конкретными условиями эксплуатации.

Гидравлическая разгрузка. Для гидравлически неразгруженных торцовых уплотнений /с = 1,0... 1,4, для разгруженных /с = 0,6... 1,0. Разгруженное торцовое уплотнение при работе находится в более выгодных условиях, чем неразгру-

женное вследствие меньшего тепловыделения в паре трения, однако при выборе уплотнения следует иметь в виду, что при уменьшении коэффициента к увеличивается опасность раскрытия уплотнительного стыка и снижается надежность уплотнения.

Необходимость применения гидравлической разгрузки стыка пары трения зависит от свойств рабочей жидкости и перепада давлений на уплотнения. Для жидкостей, которые не могут обеспечить в зазоре стабильную жидкостную пленку по всей ширине стыка пары трения (например, жидкие углеводороды, высокотемпературные жидкости), следует применять разгруженные торцовые уплотнения.

При весьма больших перепадах давлений на уплотнении также приходится прибегать к гидравлической разгрузке стыка пары трения, так как для каждого материала пары трения есть предельно допустимая удельная нагрузка, при превышении которой начинается интенсивное изнашивание материала и уплотнение не обеспечивает требуемого ресурса.

Неразгруженные торцовые уплотнения проще в производстве, а следовательно, дешевле, поэтому их применяют значительно шире, чем разгруженные, но в ряде отраслей промышленности (нефтепереработка, нефтехимия, энергетика) применяют только разгруженные торцовые уплотнения по причинам, указанным выше.

Внутренние и внешние уплотнения. В насосостроении в основном применяют торцовые уплотнения с внутренним расположением стыка пары трения относительно рабочей среды. Такое расположение обеспечивает малые утечки, большую долговечность при работе в загрязненных средах (центробежные силы препятствуют проникновению абразивных частиц в зазор стыка пары трения), выгодные условия для охлаждения пары трения. Иногда применяют торцовые уплотнения с внешним рас-по.тожением стыка пары трения. Напри-

10 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

мер, уплотнения с фторопластовым сильфоном для высокоагрессивных сред (вследствие хрупкости керамики кольцо пары трения из этого материала лучше выполнять неподвижным), внутреннее одинарное уплотнение в двойных торцовых уплотнениях.

Вращающийся и неподвижный упругие элементы. Торцовые уплотнения с вращающимся упругим элементом содержат меньшее число деталей. Они более технологичны и менее трудоемки в изготовлении, чем уплотнения с неподвижным элементом. К уплотнениям этого типа относят до 95 % всех применяемых в промышленности уплотнений.

Конструкции торцовых уплотнений с неподвижным упругим элементом применяют при скоростях скольжения в паре трения выше 25 м/с. Эти уплотнения используют для высоковязких сред в целях снижения потерь от дискового трения. Установка уплотнения с одной вращающейся деталью (фиксированным на валу кольцом пары трения) позволяет избежать влияния центробежных сил на элементы уплотнения (при этом перпендикулярность стыка пары трения к оси вращения обеспечивается назначением жестких допусков только для одной детали), а также упростить решение проблемы балансировки единственной вращающейся детали торцового уплотнения.

Конструкции торцовых уплотнений с неподвижным упругим элементом чаще всего применяют при работе в жидкостях, содержащих большое количество абразивных частиц. Именно в таких конструкциях проще всего обеспечить защиту деталей уплотнения от нежелательного воздействия среды.

Выбор места расположения пружины (в жидкости или вне ее) зависит от стойкости материала пружины. Пружина торцового уплотнения работает в тяжелых условиях: воспринимает больщие механические нагрузки, подвергается коррозионному, а в некоторых случаях и абразивному изнашиванию. Если материал пружины не выдерживает воз-

Конструктивные (принципиальные) схемы одинарных торцовых уплотнений Таблица 9.1

Расположение стыка пары трепня

Внутреннее

Внешнее

Вращающийся

Неподвижный

Вращающийся

Неподвижный

Торцовое уплотнение

неразгруженное с пружиной

в жидкости

вне жидкости

разгруженное с пружиной

в жидкости

вне жидкости

действия агрессивной среды или абразива, пружину выносит за пределы действия этой среды, хотя конструкция уплотнения в этом случае усложняется.

Возможные варианты конструкций одинарных торцовых уплотнений приведены в табл. 9.1. Кроме вторичных уплотнений контактного типа, показанных в табл. 9.1, применяют конструктивно отличные от них вторичные уплотнения сильфонного типа (сильфоны, мембраны). Принципиальные схемы одинарных торцовых уплотнений одинаковы при любой конструкции вторичного уплотнения.

Принципиальные схемы двойных торцовых уплотнений. Наряду с одинарными торцовыми уплотнениями в промышленности используют более сложные yпJютнитeльныe устройства. Наиболее универсальное двойное торцовое уплотнение состоит из двух одинарных торцовых уплотнений.

Для отделения перекачиваемой среды от атмосферы можно использовать два одинарных торцовых ушютнения с подачей между ними затворной жидкости.

При этом внутреннее уплотнение р)азде-ляет перекачиваемую среду и затворную жидкость, внешнее - затворную жидкость и атмосферу. Различие условий работы внутреннего и внешнего уплотнений обусловливает также выбор одинарных уплотнений, комплектующих двойное торцовое уплотнение. Это могут быть различные по конструкции уалот-нения, выполненные из разных материалов.

Двойные торцовые уплотнения используют:

для газообразных сред и жидкостей с плохой смазывающей способностью;

для жидкостей под высоким давлением;

для жидкостей с высокой температурой;

для жидкостей, кристаллизующихся в зоне трения при испарении жидкой фазы;

для жидкостей, содержащих твердые включения;

для жидкостей, являющихся вредными веществами и оказывающих токсичное воздействие на организм человека;

Рис. 9.2. Двойное торцовое уплотнение с радиальным расположением одинарных внутреннего / и внешнего 2 уплотнений

для жидкостей, являющихся легковоспламеняющимися или горючими.

Применение двойных торцовых уплотнений для жидкостей с высокой температурой, под высоким давлением, а также для токсичных, легковоспламеняющихся и токсичных жидкостей обусловлено требованиями техники безопасности.

Использование двойных торцовых уплотнений для жидкостей с высокой температурой и кристаллизующихся в зоне трения при испарении жидкой фазы позволяет исключить образование отложений продуктов, содержащихся в утечке, на валу насоса и деталях уплотнения. Для уплотнений, работающих в жидкостях, содержащих твердые включения, создание противодавления со стороны чистой затворной жидкости способствует значительному повышению долговечности пары трения.

Конструктивные схемы двойных тор- новых уплотнений определяются двумя факторами, связанными со взаимным расположением одинарных ушютнений. Прежде всего это компоновка одинарных уплотнений в осевом и радиальном (рис. 9.2) направлениях. Для двойных уплотнений, размещенных в осевом направлении, возможны три варианта компоновки одинарных уплотнений (определяющим является расположение

Рис. 9.3. Схемы двойных торцовых уплотнений с осевым расположением одинарных уплотнений:

а - внешнее расположение стыка внутреннего уплотнения; б - внутрениеу расположение стыка внутреннего уплотнения; в - внутреннее расположение стыка внутреннего уплотнения с упрощенной установкой внешнего уплотнения

внутреннего уплотнения, контактирующего с герметизируемой средой):

внутреннее одинарное уплотнение / имеет внешнее расположение стыка пары трения относительно рабочей среды, внешнее уплотнение 2 имеет внутреннее расположение стыка (рис. 9.3, а);

внутреннее одинарное уплотнение / имеет внутреннее расположение стыка пары трения, также расположено внешнее уплотнение 2 (рис. 9.3,6) -схему иногда называют тандемом;

внутреннее одинарное уплотнение / имеет внутреннее р-хположение стыка пары трения, внешнее уплотнение 2 имеет внешнее расположение стыка (рис. 9.3, в).

Наиболее распространенную и самую простую по конструкции схему двойного торцового уплотнения с внешним расположением стыка внутреннего уплотнения (см. рис. 9.3, а) можно применять практически всегда, когда необ-