Торцовые уплотнения и его элементы

     Необходимо отметить, что величина среднего давления жидкости в щели (без учета влияния вязкости) зависит от перепада давлений в зазоре и размеров поверхности трения и не зависит от коэффициента разгрузки, усилия пружины и др. И подставляя значение р_ср из уравнения (6) в равенство (3) и Йменяя в нем r1 и r2 через D1 и D₂, получим значение расклинивающей силы, выраженное через давление уплотняемой жидкости

                                                           (7)

 

 

 

 

УДЕЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ В  ПАРЕ ТРЕНИЯ

 

    Рассмотрим  взаимодействие сил в торцовом  уплотнении. На аксиально подвижную втулку действуют следующие силы (рис. 15): G— сила от гидростатического давления уплотняемой жидкости; R— расклинивающая сила; W — усилие пружины; Т — сила трения по уплотнительному элементу (в уплотнениях с сильфоном).

     Результирующая сила S, с которой аксиально подвижная вулка  прижимается  к неподвижной,

 

S=G+W-R-T.                     (8)

   Площадь контакта пары трения

                                                       (9)

 

 

 

    Удельное  давление   в  паре   трения

 

                                       (10)

    Сила G равна

                                                                                                       

                                                                                                                                                            G      =     f     p                                                                                                                                                                              (11)

где площадь  аксиально подвижной втулки, на которую  действует неуравновешенная часть давления p

                                              

 

                                                                  ( 12)

Значение  руд   зависит   от   коэффициента   разгрузки,   который определяют из следующего уравнения:

 

 (13)

 

Коэффициент разгрузки k оказывает влияние также и на конструкцию  уплотнения   (см.   рис. 9).

     Разгрузку  торцового уплотнения применяют для уменьшения удельного давления р_уя в парс трения при неизменном давлении уплотняемой жидкости. Очевидно, что снижение р_уд должно сопровождаться уменьшением расхода мощности и количества выделяемого фрикционного тепла и, следовательно, увеличением срока службы рабочих втулок уплотнения при прочих равных условиях.

 

Рис. 15. Силы, действующие  на аксиально подвижную рабочую  втулку.

 

      Как  указывалось  выше, по  соотношению  pуд /p   торцовые уплотнения подразделяются на две группы:   неразгруженные

(включая и  перегруженные) с k>1 и разгруженные с k<1.

     Проанализируем соотношение между  р_уд и р в зависимости от величины коэффициента разгрузки.

Поскольку при  выбранной площади контакта F рабочих втулок удельное давление от сил W и Т не зависит от других размеров и соотношений сил торцового уплотнения, то уравнение (10) можно преобразовать

 

                        (14)

                     

 

 

Для данного  торцового уплотнения

                                            (15)

Переменную  величину

                                                            (16)

можно выразить через значения р и к.

Для этого  в (16) подставим значение G из (11) и R из (7):

 

                                        (17)

     Наиболее   распространенные   в  практике   значения   коэффициента k изменяются от 0,6   (для разгруженных уплотнений)  до 1,2   (для неразгруженных уплотнений). 
    При k = 1,2 

                     руд=(1,2-0,5)p = 0,7р.

 

     При k = 0,6

                                   руд=(0,6-0,5)р = 0,1p

Уплотнения k = 0,5 называются полностью разгруженными, для них

руд =(0,5 — 0,5)р=0.

При дальнейшем снижении коэффициента разгрузки k<0,5 пошляется противоположно направленная сила, которая стремится сжать аксиально подвижную втулку и нарушить контакт в паре трения.

 

 

 

ПОТРЕБЛЯЕМАЯ   МОЩНОСТЬ  И  МОЩНОСТЬ ТРЕНИЯ. ВЫДЕЛЯЕМОЕ   ТЕПЛО

 

 

Потребляемая торцовым уплотнением мощность N (в квт) состоит из   двух   слагаемых

N = N _тр + N_A, (18)

де N _тр — мощность, затрачиваемая на трение рабочих втулок друг о друга в квт; N_a — мощность, затрачиваемая на трение вращающихся деталей уплотнения о жидкость (для уплотнений со встроенными импеллерами добавляются затраты на циркуляцию жидкости), в квт.

Для торцовых уплотнений преобладающей является мощность трения N _тр,

Величину N_Tp для одинарного торцового уплотнения можно выразить через удельное давление в паре трения:

, (19)

где — коэффициент трения (смешанного); D — средний диаметр уплотнительных поверхностей рабочих втулок в мм; b — ширина кольцевой поверхности контакта рабочих втулок в мм; р_уд — удельное давление в паре трения по уравнению (10) в кГ/см²; v —средняя скорость скольжения рабочих втулок в м[сек.

Средний диаметр рабочих  втулок D и ширину поверхности контакта b определяем из уравнений:

                                         (20)      

 

                                                                                                              (21)

Окружная  скорость v paвна

                                                                (22)

где п — число оборотов вала в об(мин.)

 

Уравнение (19) служит для предварительной оценки мощности, теряемой на трение рабочих втулок в торцовом уплотнении.

При конструировании  уплотнений необходимо снижать мощность N_тр, для чего в соответствии с уравнением (19) следует применять материалы рабочих втулок с низким значением коэффициента трения и уменьшать до практически возможных пределов средний диаметр и ширину кольцевой поверхности пары трения.

Коэффициент трения , являющийся экспериментальной величиной, зависит как от материалов пары трения, так и от физических  свойств уплотняемой жидкости.

Следует отметить, что  при полужидкостном трении величина коэффициента трения составляет обычно несколько сотых долей единицы, а при полусухом и сухом трении — уже десятые доли единицы. Поэтому при прочих равных условиях сухое трение рабочих втулок характеризуется повышенным выделением тепла и более интенсивным износом пары.

Вся мощность, потребляемая на трение рабочих втулок, в результате работы трения превращается в тепло.

Выделяемое  парой трения тепло Q, можно подсчитать следующим   образом:

   ккал/сек= 175,5N _тр     кал/сек,    (23)

где А— тепловой эквивалент работы в ккал/кГ м.

 

A=1/427

 

В результате выделенного в паре трения тепла  повышается температура торцовых поверхностей рабочих втулок, а также уплотняемой жидкости, находящейся в рабочем зазоре.

Чрезмерное  повышение температуры жидкости в зазоре может привести к ее испарению и, следовательно, к появлению сухого трения, сопровождающегося обычно интенсивным износом рабочих втулок. Подобное увеличение температуры особенно опасно для жидкостей, находящихся в камере уплотнения под давлением, близким к давлению упругости паров. В нефтяных центробежных насосах такие случаи имеются при перекачке сжиженных нефтяных газов (пропана, бутана), нестабильных бензинов и других нефтепродуктов с высокой упругостью паров. Поэтому при работе торцовых уплотнений в среде указанных нефтепродуктов вопросам уменьшения выделяемого парой трения тепла, а также улучшению его отвода необходимо уделять должное внимание при выборе конструкции уплотнения.

Определить  расчетным путем температуру  жидкости в зазоре тактически невозможно, так как отсутствуют экспериментальные винные о коэффициентах теплопроводности, теплоотдачи и другие применительно к условиям работы торцового уплотнения.

Тем не менее  можно проследить пути отвода тепла  от трущихся торцов и наметить ряд мероприятий по улучшению теплопровода и снижению температуры жидкости в зазоре пары трения.

Применяемые в нефтяных центробежных насосах торцовые Уплотнения омываются уплотняемой жидкостью. Поэтому тепло в основном отводится через стенки рабочих втулок в уплотняемую жидкость, в сопряженные с втулками детали уплотнения (корпус, вал и другие) и частично в атмосферу. Утечка уплотняемой жидкости практически не отражается на улучшении теплопровода, так как в нормально работающем уплотнении она очень мала.

Поскольку все  тепло от пары трения отводится практически через рабочие втулки, то на величину и характер распределения температуры вдоль щели существенное влияние оказывает теплопроводность материала этих втулок.

Следовательно, для улучшения теплоотвода и  уменьшения температуры в зазоре пары трения рабочие втулки рекомендуется изготовлять из материалов с хорошей теплопроводностью. Кроме того, в уплотнениях применяют различные способы циркуляции жидкости через камеру уплотнения, уплотнения с холодильниками и т. д.

 

 

УТЕЧКА  ЧЕРЕЗ  ЗАЗОР ПАРЫ ТРЕНИЯ

 

 

Поверхности трения обеих рабочих втулок обрабатывают с высокой степенью чистоты и с большой точностью размеров. Поэтому зазор между втулками очень мал и его можно рассматривать как щель с параллельными стенками. Ранее упоминалось, что протекающая через такую щель утечка будет иметь ламинарный характер.

На основании  этих предпосылок в  некоторых работах приводятся уравнения для подсчета утечки через щель идеально изготовленного торцового уплотнения. Однако такие уравнения непригодны для практических целей.

Утечка через  зазор в  торцовом уплотнении зависит  от  перепада давления, величины зазора, режима трения в паре, чистоты и правильности формы поверхностей трения, физических свойств уплотняемой жидкости и др. Естественно, что учесть влияние всех этих факторов в одном уравнении невозможно.

Между тем имеется  большое количество опытных данных по величинам утечки. Для большинства уплотнений утечка колеблется от нескольких единиц до нескольких десятков кубических сантиметров  в  час.

По данным Гипронефтемаша для торцовых уплотнений центробежных нефтяных насосов параметрического ряда допустимая утечка не должна превышать 30 см^г[ч.

При работе в  среде нефтепродуктов, особенно имеющих  упругость паров выше атмосферного давления, видимая утечка часто не наблюдается, так как просочившийся через зазор нефтепродукт при попадании в атмосферу испаряется.

 

МЕТОДИКА  РАСЧЕТА ТОРЦОВЫХ  УПЛОТНЕНИЙ

 

На практике применяют два метода расчета  торцовых уплотнений: 1) по удельному давлению р_уд и по фактору pv.

Расчет торцовых уплотнений по удельному давлению с  большей точностью отражает расчетные зависимости применительно к рабочим условиям уплотнения. Поэтому этот метод используется преимущественно при конструировании уплотнений для нефтяных центробежных насосов.

Как упоминалось  ранее, фактор pv, являющийся произведением давления уплотняемой жидкости в камере уплотнения р кГ/см² на скорость скольжения v м\сек в паре трения на диаметре D, используется в основном для определения области применения данного торцового уплотнения в зависимости от давления р и окружной скорости v. Данный фактор может служить также сравнительной величиной применительно к однотипным конструкциям уплотнений с одинаковым коэффициентом разгрузки. Для удобств в каталогах многих фирм фактор ри вычисляют по диаметру вала, на котором устанавливается уплотнение.

Фактор pv представляет определенные удобства для потребителей при выборе торцовых уплотнений, однако он совершенно непригоден для сравнительной оценки уплотнения как с точки зрения его конструкции, так и с точки зрения примененных материалов.

Таким требованиям  наиболее полно удовлетворяет критерий p_yav, являющийся произведением удельного давления на скорость скольжения в паре трения.

Однако применительно  к торцовым уплотнениям в отечественной и зарубежной литературе нет опубликованных данных по допустимым величинам p_yAv для различных материалов пар трения при работе в различных жидкостях.

Расчет торцового  уплотнения сводится к выбору коэффициента разгрузки, определению баланса действующих на него сил и величины удельного давления в паре трения.

Для практического пользования уравнение (14) удобнее представить в следующем виде, подставив в него значение р'_ул из уравнения (17) и исключив силу T

                                               (24)

      В правильно сконструированном  и изготовленном уплотнении сила трения Т по уплотнительному элементу невелика, поэтому при практических расчетах принимаем T=0.

     Уравнение (24) является основным, используемым при расчете торцовых уплотнений для центробежных нефтяных насосов.