Промышленный лизинг
Методички
Рис. 12.34. Схема возникновения гидростатической силы в лабиринтно-винтовом уплотнении на выходе из уплотнения предусматривать щель с гладкими стенками. Эксцентричность и биение винта снижают герметичность уплотнения. При эксцентричном положении винта во втулке вследствие неравномерности зазора в уплотнении возникает радиальная гидростатическая сила, направленная в сторону меньшего зазора (рис. 12..34). Методика расчета лабиринтно-винтового уплотнения (пример). Расчет и конструирование любого динамического уплотнения основаны на следующем условии: уплотнение с заданными габаритными размерами должно выдерживать максимальное давление и потреблять при этом минимальную мощность. Концевое лабиринтно-винтовое уплотнение работает на газожилкостной эмульсии. Ее влияние на характеристики уплотнения может быть оценено лишь экспериментальным путем, поэтому в первом приближении расчет уплотнения вьпюлняют по зависимостям, выведенным для устройств, целиком заполненных жидкостью. Пренебрегая внутренними утечками, из зависимости (12.3) при Q = 0 имеем (12.6) Для мощности справедлива зависимость (12.5), 0,85 Рис. 12.35. Нарезка прямоугольной формы Из (12.5) и (12.6) следуют соотношения При заданном Дро = const мощность, потребляемая уплотнением, пропорциональна квадрату диаметра. В то же время при уменьшении диаметра длину / уплотнения следует увеличивать обратно пропорционально квадрату диаметра. Если увеличение длины невозможно по условиям установки уплотнения на валу машины, то можно применить конструкцию из двух и более ступеней. Потребляемая мощность уменьшается с увеличением угла подъема нарезок а. Ограничением является резкое уменьшение коэффициента напора к при tx > > 75 ° для транецеидалыюй и при а > > 85 ° для треугольной нарезок. Для уплотнений используют нарезки треугольной, трапецеидальной и прямоугольной формы. Уплотнения с треугольной нарезкой создают наибольший перепад давлений. Для мелких нарезок наиболее технологичной формой является прямоугольная. Уплотнение с нарезкой прямоугольной формы (рис. 12.35) при (/=80 мм, /=110 мм и частоте вращения 2500 мин" создает при работе в воде перепад давлений 0,7 МПа и потребляет при этом мощность 0.5 кВт. Пример расчета лабиринтно-винтового уплотнения вала центробежного насоса. Исходные данные: среда - вола; давление воды перед уплотнением ро = 4,5 МПа; температура волы до 30 °С; частота вращения вала 5800 мин"; потребляемая уплотнением мощность не более 4 кВт; диаметр вала в месте установки уплотнения 40 мм; длина проточной части уплотнения не более 120 мм. Рис. 12.36. Нарезка треугольной формы При расчете уплотнения за исходную модельную характеристику принимаем характеристику рабочих органов с нарезкой треугольной формы (рис. 12.36). Размеры нарезок винта и втулки: й(„ = 100 мм; / = = 150 мм; 5 = 80 мм; 2 = 27; = = 0,325 мм; /1„ = 3,8 мм; а„ = 75°40. По экспериментальным данным при = = 0 и п„ = 2900 мин" Лр„=1,8 МПа; = 5 кВт. Из условия ограниченности размеров уплотнения в осевом и радиальном направлениях выбираем трехступенчатое уплотнение с проточной частью длиной /=110 мм и диаметрами ступеней = 61 мм, di = 68 мм и с/з = 75 мм (рис. 12.37). Сохраняя форму и размеры выступов нарезок, пересчитываем перепад давлений и мощность модели на диаметр и длину третьей ступени уплотнения (з = 75 мм, /=110 мм) и частоту вращения вала п = = 5800 мин". Учитывая, что отношение чисел заходов нарезок пропорционально отношению djd, по формуле (12.6) получим АРм = Рм-,--- 110 150 100/ 5800 2900 = 2,97 МПа. Рис. 12.37. Трехступенчатое лабиринтно-винтовое уплотнение По формуле (12.5) имеем N=N,. 100 / 75 150\ 100 100; V 5800 2900 = 9,3 кВт. Чтобы увеличить перепад давлений и уменьшить мощность, потребляемую уплотнением, изменяем размеры нарезок. Сохраняя диаметры ступеней и форму профиля нарезок, уменьшаем высоту выступов h до 1 мм. Из условий точности сборки и установки уплотнения в насосе выбираем диаметральный зазор для всех ступеней 5о = = 0,3 мм. С изменением h и Ьр изменяется коэффициент напора нарезки, который можно оценить графически. Для модельной нарезки 8py i, = 0,17, тогда по кривой 2 на рис. 12.30 {к/ко 1м) = 0,1. Соответственно для нарезки с Л = 1 мм и 5o i = 0,3 k/koj = = 0,3. Число заходов -3 нарезки третьей ступени равно 65. Перепад давлений, создаваемый третьей ступенью: 3 k/kpt (/: со.)м = 2,97 М = 4 14 МПа. 20 0,7 Поскольку заданное давление воды перед уплотнением составляет 4,5 МПа, оно практически полностью воспринимается третьей ступенью. Тогда мощность, потребляемую уплотнением, приближенно можно определить по формуле (12.5) Ар S = 9,3 4,5 1 Ар h 2,97 3,8 = 3,7 кВт. Вычислим предельный перепад давлений на уплотнении при заполнении водой всех трех ступеней. Перепады давлений, воспринимаемые первой и второй ступенями: = 2,74 МПа; Др1 = Лрз "4,14 Др2 = Лрз . 75 = 4,14 - V75 = 3,4 МПа. Предельный перепад давлений Ар = Api -f + Арз = 10,3 МПа. Расчет параметров уплотнения можно выполнить другим методом. Воспользовавшись формулой 412.6), определяем коэффициент напора модели 471с/мАРм 4я0,1- 1,8- 10* zjpvi 27 0,15. 1000-(15,2) : 2,38. По найденным значениям /сДод подсчитываем коэффициент напора нарезки уплотнения k = -#5fe. = 512,38 = 1,02. По формуле (12.6) перепад определяем давлений третьей ступени . 1,02-65-0,11-1,02 (22,8) , 4я. 0,075 По формуле (12.5) подсчитываем мощность, потребляемую уплотнением при перепаде давлений 4,5 МПа. Счи1аем, что весь перепад давлений воспринимает третья ступень, а остальные две ступени заполнены воздухом. Опре.хеляем = я.7,5(0,1 + 0.015) = 2,71 см ctga = -= J-= 0,238. л75 Откуда N =4,5.10".2,7.10"*.11,4.0,238 х X 10" = 3,24 кВт. Полученная мо1цность несколько меньше мощности, пересчитанной с модели (3,7 кВт), так как при ее вычислении не учитывалось трение жидкости в каналах нарезок и дисковое трение. Кроме того, угол подъема нарезки а был принят несколько больше угла подъема нарезки модели из-за необходимости округления хода нарезки до бли-жайгнего, имеющегося в токарных станках. Принимаем округленные значения числа за- N, кВт Рис. 12.38. Зависимость мощности, потребляемой трехступенчатым уплотнением, от перепада давлс!:!;" • ты ходов и хода нарезок для первой и второй ступеней Zi = 56; .s", = 48 мм; 22 = 65; s2 = = 56 мм. По формуле (12.5) подсчитываем предельную мощность уплотнения при перепаде давлений 10,3 МПа N = iVi + N2 + N3 = 1,4 -I- 2,22 + 3 = 6,62 кВт. На рис. 12.38 показаны теоретическая и экспериментальная зависимости мощности от перепада давлений ро ДЛя трехступенчатого уплотнения. Предельный перепад давлений в эксперименте составлял около 9 МПа. Более низкое значение предельного давления по сравнению с теоретическим объясняется образованием водно-воздушной эмульсии в зазоре уплотнения. Это же явление возникает при испытании отдельных ступеней уплотнения. Перепады давлений, создаваемые ими, меньше перепадов, создаваемых ими в составе узла уплотнения. В связи с этим при расчете лабиринтно-винтовых уплотнений для работы в качестве концевых уплотнений валов необходимо предусмотреть запас по перепаду давлений около 30%. Это необходимо также для компенсации износа абразивными частицами выступов нарезок и увеличения радиального зазора между ними. Интенсив1юсть образования эмульсии можно несколько уменьшить и герметичность уплотнения повысить, создав на выходе из уплотнения со стороны воздуха щель с гладкими стенками с зазором, равным радиальному зазору уплотнения. Конструкции лабиринтно-винтовых уплотнений. На рис. 12.39 показано лати-ринтно-винтовое уплотнение со стояночным торцовым уплотнением вала лопастного насоса для жидкого кислорода. Давление кислорода перед уплотнением 0,35-0,4 МПа, его температура -200°С. Частота вращения вала насоса 2950 мин". Уплотпе!ше имеет нарезку треугольной формы с диаметром d = = 150 мм, высотой / = 3 мм, ходом s= 112 мм и числом заходов z = 45. На рис. 12.40 показано лабиринтно-винтовое уплотнение со стояночным Рис. 12.39. Лабиринтно-винтовое уплотнение со стояночным уплотнением вала насоса для жидкого кислорода манжетным уплотнением вала конден-сатного насоса. Уплотнение состоит из трех ступеней. , На рис. 12.41 показано лабиринтно-винтовое уплотнение вала осевого насоса, перекачивающего аммонизированную пульпу в контуре выпарного аппарата в производстве фосфорных удобрений. Химический состав перекачиваемой среды: экстракцио1пшя фосфорная кислота с концентрацией 55 %, содержащая кремнефтористоводородную кислоту и гипс. Температура среды 70 -90 "С, давление перед уплотнением 0,3 МПа. Частота вращения вала 750 мин". В уплотнение подается техническая вода ...... - Рис. 12.40. Лабиринтно-винтовое уплотнение вала конленсатно! о насоса Рис. 12.41. Лабиринтно-винтовое уплотнение вала осевого насоса с давлением 0,03-0,05 МПа, которая прокачивается уплотнением в насос. Тем самым предотвращается не только вытекание агрессивной среды наружу, но и загрязнение окружающего воздуха ее парами, вредными для здоровья обслуживающего персонала. 12.3. Импеллерные уплотнения Импеллерные уплотнения по форме сходны с рабочими колесами лопастных насосов. Открытые импеллеры выпускают с радиальными открытыми лопатками (рис. 12.42, а) и с радиальными каналами (рис. 12.42,6). Закрытые импеллеры (рис. 12.42, в) состоят из двух дисков и распо.1юженных между ними лопаток, образующих каналы. Они снабжены радиальным щелевым уплотнением. Полуоткрытые импеллеры (рис. 12.42, г) имеют ближе к оси открытые лопатки, которые переходят в закрытые. Рабочие процессы, происходящие в импеллерах указанных типов, сходны: для создания противодавления используются силы инерции жидкости, увлекаемой во вращение. По другому принципу работает радиально-вихревой импеллер (рис. 12.42, f)), в котором используется эффект турбулентного трения жидкости между наклонными лопатками на корпусе и на импеллере. Его рабочий процесс сходен с процессами лабиринтно-винтового уплотнения (см. подразд. 12.2). Для создания противодавления можно использовать также принцип действия вихревого насоса с полукруглыми лопатками и каналами, расположенны- ми в осевом (вихревой импеллер [12]) или радиальном направлении. Открытые импеллеры. В лопастных насосах в качестве уплотнений валов чаще всего используют импеллерные уплотнения с открытыми лопатками. На рис. 12.43 схематично показан импеллер с открытыми лопатками, частично заполненный жидкостью [16]. Если жидкость вращается с некоторой частотой Юж, отличной от частоты вращения ю импеллера, перепад давлений, создаваемый уплотнением: Ар2 = Р2-Рг= P~{Rl-Rh (12.7) где R, - радиус границы раздела фаз между жидкостью и газом. Частота вращения жидкости в пространстве между лопатками вследствие действия па нее сил трения стенки и инерции жидкости всегда меньше частоты вращения импеллера: где фл - коэффициент (ф < 1). Безразмерный коэффициент напора уплотнения 2 (Р2 - Рг) Рис. 12.42. Импеллеры: а - открытый с лопатками; б - открытый с каналами; в-закрытый; г - полуоткрытый; д - радиально-вихревой соответствует положению границы фаз, совпадающей с Rq, т. е. моменту начала утечки жидкости из уплотнения. Коэффициент Я, определяемый экспериментально, зависит от числа лопаток импеллера, их размеров и зазора между импеллером и стенкой корпуса. На рис. 12.44 показаны экспериментальные зависимости коэффициента Н импеллеров с каналами и лопатками от их числа Z. Форма лопаток импеллера мало влияет на создаваемый им перепад давлений. Ц7 0,6 0,5 0 2 It 6 8 10 П 1if fB 18 20 22 z Рис. 12.44. Зависимость коэффициента напора открытого импеллера от числа лопаток или каналов (5 = 2 мм; w= 1050 с"): / - импел.гер с лопатками толщиной 2 мм; 2 - импеллер с каналами шириной 4 мм Рекомендуется применять лопатки и каналы прямолинейной формы, паправ-леппые радиально. Влияние высоты лопаток и глубины каналов, размеры которых приведены в табл. 12.2, па коэффициент напора иллюстрирует рис. 12.45. На рис. 12.46 приведены зависимости коэффициента напора и безразмерной мощности от относительного зазора импеллерпых уплотнений [12]: ~ pft)RiS где .S = v.R\ -\- 2nR2l - условная площадь поверхности трения импеллера. С уменьшением давления перед импел-лерным уплотнением потребляемая им мощность уменьшается (рис. 12.47). Влияние относительного зазора па коэффициент напора открытых импеллеров с каналами и лопатками, размеры которых приведены в табл. 12.3, иллюстрирует рис. 12.48 [16]. Таблица 12.2 Я = ф = p(o{Rl-Rl) (12.8) Рис. 12.43. К расчету открытого импеллера с лопатками
V h,MM Рис. 12.45. Влияние высоты лопаток (глубины каналов) на коэффициент напора открытого импеллера 0,75 0,50 0,25 0,001 0001 0,5 а) *f) О 0,05 0,10 0,15 0,2i {2ф;(2ь*ф Рис. 12.46. Зависимость безразмерных напора (а) и мощности (б) от относительного зазора открытого импеллера Таблица 12.3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 [ 69 ] 70 71 72 73 74 75 76 |