Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор технических решений по торцовым уплотнениям. Цель и задачи исследования 12
1.1. Область применения торцовых уплотнений в судовом оборудовании 12
1.2. Обзор технических решений ведущих фирм и производителей торцовых уплотнений 14
1.3. Цель и задачи исследования 26
Глава 2. Математическое описание гидродинамических процессов в торцовом уплотнении, численное моделирование его напряженно-деформирован ного состояния 29
2.1. Гидродинамические процессы, происходящие в торцовом уплотнении 29
2.2. Определение причин появления перекосов с помощью численного моделирования напряженно-деформируемого состояния торцового уплотнения 35
2.3. Влияние перекоса на распределение давления в контакте торцового уплотнения 54
2.4. Выводы по главе 58
Глава 3. Экспериментальное исследование процессов, протекающих при функционировании торцовых уплотнений 60
3.1 Задачи экспериментальных исследования процессов, протекающих при функционировании торцовых уплотнений. Способы определения параметров работы уплотнений 60
3.2 Описание экспериментальных стендов 62
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований. Результаты исследований 69
3.4 Выводы по главе 75
Глава 4. Разработка комплекса критериев оптимизации конструкции и методика проектирования торцового уплотнения 77
4.1. Предлагаемые направления и технические решения конструирования торцовых уплотнений 77
4.2. Создание и стабилизация макрогеометрии поверхностей уплотняющего подвижного контакта 79
4.3. Выбор конструктивной схемы уплотнений 81
4.4. Основные требования к качеству деталей уплотнения 83
4.5. Методика проектирования уплотнения 85
4.6. Примеры реализации авторских технических решений 87
4.7 Выводы по главе 93
Глава 5. Разработка конструкций малорасходных уплотнений для судовых систем 94
5.1. Разработка конструкций малорасходных уплотнений вала судовых центробежных компрессоров и нагнетателей природного газа 94
5.2 Применение малорасходных торцовых уплотнений на судах речного флота и плавсредствах 101
5.3. Модернизация насосов топливно-энергетического комплекса 106
5.4 Выводы по главе 110
Заключение 1 И
Библиографический список используемой литературы 113
Приложения 121
- Обзор технических решений ведущих фирм и производителей торцовых уплотнений
- Определение причин появления перекосов с помощью численного моделирования напряженно-деформируемого состояния торцового уплотнения
- Описание экспериментальных стендов
- Выбор конструктивной схемы уплотнений
Введение к работе
В настоящее время торцовые уплотнения широко применяются в топливно-энергетической, нефтеперерабатывающей, химической и транспортной промышленности, включая и суда речного флота. Эти отрасли вносят значительный вклад в развитие экономики, но и являются наиболее опасными с точки зрения экологии. Уменьшение утечек в торцовых уплотнениях, которые установлены в судовых насосах, компрессорах, двигателях, позволяет повысить одновременно экономические показатели и их экологическую безопасность. В связи с этим совершенствование методов и конструкций торцовых уплотнений для судовых установок является актуальной задачей.
Торцовое уплотнение вала состоит из уплотнительных элементов кольцевой формы, один из которых вращается вместе с валом, а другой соединен с корпусом и не вращается. Между вращающимся и неподвижными уплотннтельными элементами образуется уплотняющий подвижный контакт (УПК), имеющий форму плоской кольцевой щели высотой в осевом направлении от долей микрона до нескольких микрон. Ввиду малой высоты щели, протечки через УПК отсутствуют или имеют небольшую величину. Для компенсации торцового биения при вращении один из уплотнительных элементов или оба сразу делаются подвижными в осевом направлении, благодаря чему они могут "отслеживать" друг друга при вращении без раскрытия подвижного уплотнительного стыка. Уплотнительные элементы состоят из антифрикционного и опорного колец, контактирующих друг с другом по торцам, причем, опорное кольцо выполнено обычно из металла, а антифрикционное - из углеграфита, керамики и др. Торцовые уплотнения, выполненные по указанной схеме, хорошо известны, и применялись ранее, а в настоящее время область их применения все более расширяется. Они зарекомендовали себя экономичными и надежными устройствами при невысоких давлениях (до 1 МПа) и температурах (плюс 20...40С), малых
размерах (диаметр вала до 50...60 мм) и небольших линейных скоростях скольжения (5... 10 м/с).
Однако, современные машины и механизмы характеризуются быстрым ростом давлений, температур, мощностей, частоты вращения и т.д. Например, в главных циркуляционных насосах современных атомных энергетических установок необходимо предотвратить выход из контура вдоль вала насоса воды при давлении (8... 18) МПа и температуре (250...300)С. При этом, мощность одного насоса составляет несколько тысяч киловатт при частоте вращения (1000...8000) 1/мин., что обуславливает большие габариты уплотнения, (т.к. диаметр вала равен 150...300 мм) и высокую линейную скорость скольжения в подвижном уплотнительном стыке (15...60 м/с). После проведения многочисленных исследований под руководством автора по определению механизма работы контактных торцовых уплотнений и причинах их выхода из строя при экстремальных условиях было выяснено, что фактором, оказывающим решающее влияние на работоспособность торцового уплотнения при указанных условиях, является угловое деформирование трущихся уплотнительных элементов с нарушением плоскости поверхностей в УПК. В результате угловой деформации происходит поворот сечения уплотнительных элементов, щель в уплотняющем подвижном контакте при этом теряет плоскопараллельную форму и принимает вид диффузора или конфузора по отношению к направлению действия перепада давления уплотняемой среды, причем величина и направление деформации зависят от случайных факторов и чрезвычайно трудно контролируются.
Поскольку уплотнительная щель в торцовых механических уплотнениях имеет незначительную по величине высоту, то деформация щели даже на несколько микрон в условиях высокого давления приводит к тому, что осевое усилие, действующее на трущиеся уплотнительные элементы, и удельное давление в подвижном уплотнительном стыке, отличаются в десятки и сотни раз от расчетных.
Следует особо подчеркнуть, что решение главного проблемного вопроса уплотнения вала при высоком давлении уплотняемой среды - обеспечение и сохранение во время работы стабильной смазывающей жидкостной пленки, обуславливающей близкий к безизноснному режим трения в УПК - возможно только при стабильном равновесии между закрывающими силами, действующими на уплотнительные элементы, и раскрывающими силами в уплотняющем подвижном контакте. Равновесие между этими силами должно быть таким, чтобы закрывающие силы обеспечивали плотный контакт, предотвращающий утечку, но не выдавливали бы смазывающую пленку в УПК.
Большой вклад в развитие теории торцовых уплотнений с газовой и жидкостной смазкой внесли отечественные ученые А.И. Белоусов, А.И.Голубев, В.А.Зрелов, Э.П.Кревсун, К.В.Лисицин, В.А.Максимов, В.А.Марцинковский, С.В.Фалеев, Б.А.Фурманов /1-9, 11-14, 23-26, 29-35, 58-60, 62, 67/ и зарубежные исследователи H.S.Cheng, I.Etsion, A.O.Lebeck, L.Ludwig, E.Mayer, H.Mueller, I.Zuk и другие /10, 21, 28, 36, 59, 61, 65-66, 68-82/. Она развивается на основе методов теории жидкой и газовой смазки и классической теории колебаний /14, 20, 32, 60, 75, 78/. Для нахождения аналитических характеристик торцового уплотнения можно использовать допущения об изотермичности и квазистационарности течения смазки. Распределение давления и выражения для определения утечек и несущей способности торцовой щели определяются путем интегрирования уравнения Рейнольдса /21/. Обычно вращением уплотнительных поверхностей в газостатических уплотнениях пренебрегают /58/. Однако, в связи с созданием высокооборотных насосных агрегатов, использующих маловязкие жидкости (по физическим свойствам близкие к газам, поэтому при расчете уплотнение рассматривается как газовое), вращение может оказывать влияние на характеристики торцового уплотнения /4, 41/. Решение уравнения Рейнольдса с учетом конвективных сил инерции проводится численно с использованием приближенных методов /41, 90/. В работе /62/ решена термоупруго-гидродинамическая задача для жидкостных уплотнений путем совместного решения задач гидродинамики
вязкой жидкости, теплопроводности и термоупругости с учетом переменных вязкости и плотности смазки. Было принято допущение, что температурные деформации преобладают над силовыми, что связано со спецификой рассматриваемых уплотнений. Для сред с низкой вязкостью тепловыделение в зазоре не так значительно и температурные деформации сравнимы с силовыми. В работах /80, 81/ рекомендуется для снижения влияния деформаций уменьшать ширину уплотнительного пояска.
В настоящее время разработано большое количество видов и типов торцовых уплотнений, предназначенных для агрегатов, работающих в различных отраслях промышленности, энергетике, на транспорте. Конструкция уплотнения представляет из себя сложную систему, состоящую из многих деталей, жестко соединенных между собой и находящуюся под воздействием многих факторов (давления, температуры, центробежных сил, реакции опорных колец и пр.). Несмотря на большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментальных работ, задача сохранения расчетной формы уплотняющего зазора является актуальной. Стоит задача сохранения только связи, необходимой для нормального функционирования узла, между находящимися в контакте кольцами пары трения и взаимодействущими деталями конструкции.
Целью диссертационной работы является совершенствование проектирования и конструкций торцовых уплотнений элементов систем судовых энергетических установок (СЭУ):
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа технических решений ведущих фирм и
производителей по торцовым уплотнениям, разработать комплекс критериев
оптимизации конструкции уплотнений.
2. Разработать теоретическое обоснование для анализа характеристик
торцовых уплотнений.
Исследовать напряженно-деформированное состояния торцового уплотнения на основе методов численного моделирования.
Выполнить экспериментальные исследования по определению параметров, влияющих на работу торцовых уплотнений.
Подтвердить на примере разработки конкретных конструкций торцовых уплотнений правильность предложенного комплекса критериев оптимизации конструкции уплотнений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые в результате теоретического анализа и численного
моделирования процессов, протекающих при функционировании торцовых
уплотнений элементов судовых систем и других механизмов, получены
характеристики этих уплотнений.
Получено математическое описание работы торцовых уплотнений с учетом особенностей их функционирования в составе различных механизмов.
Проведены экспериментальные исследования торцовых уплотнений элементов систем СЭУ и других механизмов, изучены статистические данные о работе торцовых уплотнений, что позволило получить основные требования к техническим характеристикам и выявить недостатки существующих уплотнений.
4. На основе проведенных исследований предложены основные
принципы проектирования торцовых уплотнений элементов систем СЭУ и
других механизмов с высокими техническими параметрами
Практическая ценность работы: предложена методика проектирования высокогерметичных торцовых уплотнений, позволяющих обеспечить стабильные характеристики: минимальный уровень протечек нефтяных продуктов и других жидкостей и газов, отсутствие износа уплотняющих колец, максимальные ресурс и надежность.
Реализация результатов работы выражается в том, что возглавляемое автором НПЦ «Анод» в течение 10 лет, используя комплекс критериев оптимизации конструкции уплотнений, разработал более 200 различных видов
торцовых уплотнений, предназначенных для агрегатов в различных отраслях промышленности, энергетике, на транспорте. В частности, предлагаемые уплотнения были применены на различных плавсредствах:
для грунтового насоса ГрУТ 2000/63 - С - УХЛ - 4;
для водометного движителя ВД-525;
для уплотнения опорных подшипников ступицы гребных винтов быстроходного катера;
для глубоководного аппарата и выполняющего роль защиты электродвигателей и элементов электрооборудования, которые находятся в гребных гондолах.
Достоверность основных положений и выводов подтверждается применением методов математического моделирования физических процессов. Теоретические исследования основывались на зависимостях гидродинамики. Экспериментальные исследования проводились с использованием известных (стандартных) методик и приборов для определения контролируемых показателей и характеристик, а их результаты сопоставлялись с теоретическими.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на VIII и IX международных симпозиумах «Потребители-производители компрессоров», (Санкт - Петербург, 2002 и 2003 г.г), на международных совещаниях «Повышение надежности и долговечности насосного, компрессорного и теплообменного оборудования», «Опыт эксплуатации торцовых уплотнений, подшипников скольжения, теплообменного оборудования конструкции НПЦ «Анод», (Нижний Новгород, 2001 - 2003 г.г., Одесса, 2004 г.), «Энерго и ресурсосберегающие технологии в производствах минеральных удобрений, аммиака, метанола, капролактама и органических продуктов» (Гродно, 2004 г.), «Современное состояние производства серной кислоты: производство, сырье, экология, проблемы модернизации» (Москва, 2004 г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 статьи, 2 тезиса докладов, 14 патентов на полезную модель.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков и 2 таблиц, библиография включает 91 наименование.
Обзор технических решений ведущих фирм и производителей торцовых уплотнений
Среди уплотнений вращающихся валов торцовые уплотнения наиболее разнообразны по конструкциям, хотя все конструкции работают по одной схеме /13/, показанной на рис. 1.3. Эту схему мы будем иметь в виду при рассмотрении конструкции торцовых уплотнений различных фирм.
Рисунок 1.3. Схема торцового уплотнения. 1 - вал ; 2 - вращающееся уплотнительное кольцо; 3 - неподвижное уплотнительное кольцо; 4 - гильза; 5 - корпус механизма гильзы 4 с кольцом 2. Торцовая поверхность его прижимается к неподвижному кольцу 3, соединенному с корпусом механизма 5.
Следовательно, кольца 2 и 3 образуют плоскую пару трения. Зазор между ними определяет величину утечки жидкости или газа, находящихся в корпусе машины под давлением р. Элемент 4, который в дальнейшем будем называть подвижным элементом торцового уплотнения, должен обеспечивать плотное и постоянное прилегание колец 2 и 3 одного к другому при вибрациях, смещениях вала и износе пары. Кроме того, будем учитывать главную проблему уплотнения вала: с одной стороны - обеспечение и сохранение во время работы стабильной смазывающей жидкостной пленки, обуславливающей безизносный режим трения в уплотнитель ном подвижном контакте (УПК); а с другой стороны - обеспечение плотного контакта, предотвращающего утечку, но не выдавливающего смазывающую пленку между уплотнительными кольцами. Для удобства дальнейшего рассмотрения, будут проанализированы конструктивные особенности торцовых уплотнений, влияющие на технологичность и удобство их монтажа, эксплуатации и ремонта.
Аналитический обзор технических решений по торцовым уплотнениям ведущих фирм и производителей проводился с целью получения оценки различных конструктивных подходов и особенностей протекания физических процессов в зависимости от конструкций. Это позволит сделать постановку задачи для теоретического анализа более компактной, ограничиваясь основными факторами.
К настоящему времени эксплуатируется множество торцовых уплотнений различных конструкций, произведенных как зарубежными, так и отечественными производителями. Располагая положительным опытом проектирования, производства и эксплуатации торцовых уплотнений, представляется возможным выделить основные технические решения с точки зрения обеспечения их работоспособности. Рассмотрим торцовые уплотнения на примере некоторых зарубежных фирм: "BURGMANN" (Германия), "John Crane" (Англия), "FLOWSERVE" (США, Голландия), "Flexibox" (Франция), Анга (Польша), Эпил (Япония) и отечественных производителей: ОАО «Машиностроительный завод» (г.Нальчик), ТРЭМ, Герметика (г.Москва), АО «ТУР» (г.Уфа), ОАО «Юнион» (г.Москва), Сана (г.Коломна).
К достоинствам уплотнения HRN, изображенного на рис. 1.4, можно отнести: - установка уплотнительных колец 1 и 2 выполнена с использованием резиновых колец 3 круглого сечения, что упрощает монтаж и ремонт уплотнения; равномерность прижатия уплотнительных колец обеспечена несколькими пружинами 4, расположенными соостно с валом по периферии подвижной обоймы 5; - фиксация гильзы 7 на валу с помощью винтов 8 не создает повреждений вала, препятствующих проводу через этот участок вала уплотнения резинового кольца при монтаже и демонтаже блока; - форма канавки и расположение в них резиновых колец позволяет обеспечить герметичность насоса как при избыточном давлении так и при вакууме в сальниковой камере. Это происходит благодаря перемещению резинового кольца 3 к противоположной стороне канавки и таким образом перераспределению площадей давления среды на обойму; конструкцией уплотнений предусматривается возможность выполнения поджатая обоймы 5 подвижного блока с уплотняющим кольцом 2 пружинами 4, расположенными вне перекачиваемой среды.
Недостатками уплотнения URN, по нашему мнению, является чрезмерное увлечение применением штифтов 6 цилиндрической формы, фиксирующих элементы от поворота. Обладая узкой полосой контакта с поверхностями, испытывая напряжения от изгиба, штифты быстро изнашиваются, или деформируют поверхность в зоне контакта, что препятствует свободному перемещению деталей, обеспечивающих их заданное взаимное положение и плоскопараллельный зазор в паре трения.
К достоинствам уплотнения типа SH, изображенных на рис. 1.5 - 1.8 можно отнести: - создание автономного контура циркуляции (см. движение потока по стрелкам, независимо от основного контура циркуляции. Для этой цели на вращающихся деталях уплотнения предусматриваются импеллеры (деталь 1, рис.1.5, 1.8.); - для исключения повреждения вала, по которому проводится резиновое кольцо для его герметизации, закрепление гильзы (деталь 2, рис. 1.7) производится обжатием гильзы с помощью зажимного кольца 3; - используется прием закрепление гильзы 2 (рис. 1.6) на валу с помощью поджатая ее по торцу рабочим колесом насоса.
К недостаткам уплотнений типа SH следует отнести применение вклеенной конструкции колец 4 (рис. 1.5-1.7), существенно удорожающих стоимость ремонтно-восстановительных работ, а также взаимные деформации уплотнительного кольца 4 и обоймы 5. Кроме этого, детали 4 и 5 выполнены из разных материалов, что всегда оказывает влияние на состояние контакта уплотнительных колец.
Особенностями конструкции уплотнения H-74-D (рис. 1.8) являются: - использование бесштифтового способа передачи вращающего момента от поводка к кольцам пары трения 3 с помощью выштамповок 2 на стенках поводкового устройства 4;
Определение причин появления перекосов с помощью численного моделирования напряженно-деформируемого состояния торцового уплотнения
Рассмотрим систему торцового уплотнения, изображённую на рис. 1.2. Она состоит из уплотнительных колец, гильзы, обоймы и основания. Задача считается симметричной относительно оси вращения и рассматривается в двумерной постановке.
Общая задача теории упругости /27/ заключается в определении полей перемещений Ujj, деформаций ejj и напряжений CTjj, удовлетворяющих кинематическим, физическим и статическим уравнениям при заданных в объеме тела V и на частях его поверхности объемных сил Fj, поверхностных Р; и граничных перемещений Ujrp. Выпишем эти уравнения для малых перемещений и деформаций. Кинематические уравнения или соотношения Коши имеют вид: где е, и - векторы компонент тензора деформаций и перемещений в точке, D - матричный дифференциальный оператор,
В силу симметрии тензоров рассматриваются лишь 6 независимых компонент. Тогда матричный оператор имеет вид: дх{ дх Физические уравнения, известные как обобщенный закон Гука, описывают зависимости между соотношениями напряжения и составляющими деформации. В случае изотропного тела число независимых физических величин равно 2. Тогда напряжение CTJJ будет равно: где: 0 - шаровая составляющая тензора деформаций, X, G - упругие постоянные Ляме (G - модуль деформации сдвига), 5jj - символ Кронекера. Между упругими константами имеется связь: где: К - модуль объемной деформации; и - коэффициент Пуассона.
В матричной форме соотношения записываются в форме « где С - матрица постоянных материала, имеющая для изотропного материала вид:
Напряжения в теле, находящемся в равновесии под действием сил и граничных смещений, должны удовлетворять дифференциальным уравнениям равновесия в объеме тела: и уравнениям равновесия на части границы:
Приведенные уравнения (2.9 - 2.12) составляют полный комплект уравнений, необходимый для решения задач теории упругости в перемещениях. Для получения разрешающей системы уравнений в напряжениях этот комплект дополняется уравнениями неразрывности деформаций. Данная система уравнений решается численно.
В настоящее время на базе развития вычислительной техники, прикладной математики и математической физики созданы универсальные вычислительные комплексы, оснащенные различными физическими моделями, с помощью которых проводится численное моделирование сложнейших процессов, например /38/. В совокупности с экспериментальными исследованиями, использование этого аппарата позволяет значительно продвинуться в понимании протекающих процессов и сделать механизмы более надежными и экономичными. Одним из таких комплексов численного моделирования является программа «ANSYS», позволяющая производить в двух и трехмерной постановке расчеты НДС, теплообмена и гидродинамики. Программный комплекс ANSYS (разработчик фирма ANSYS, Inc.,USA) основан на методе конечных элементов (МКЭ) /56/. В основе классического МКЭ лежит замена исследуемого объекта конечным числом дискретных элементов сравнительно простой геометрической формы и одинаковой топологии. В каждом элементе с помощью интерполяционных формул (чаще всего в виде степенных полиномов) задаются формы распределения искомых функций. В результате, состояние каждого элемента в объекте в целом оценивается конечным числом узловых параметров интерполяции (значений функций и их производных в узлах элементов), записанных в форме некоторого функционала (метод Ритца) или взвешенных невязок. В результате решение задачи сводится к решению системы алгебраических уравнений относительно параметров интерполяции. В ANSYS реализована формулировка МКЭ на основе принципа виртуальной (возможной) работы /56/.
Расчетная область представлена на рис. 2.2. Учитывается возможность взаимного влияния различных компонентов системы, а именно: «контакт» двух колец, контакт колец с обоймой и гильзой соответственно, контакт между обоймой и основанием. На рис. 2.2 эти зоны обозначены зелёным цветом. Между деталями задаются поверхностные нагрузки - линейное изменение давления от высокого к низкому.
Описание экспериментальных стендов
Исследование процессов в торцовых уплотнениях с участием автора в соответствие с поставленными задачами проводилось на экспериментальных стендах, изображенных на рис.3.1-3.5. Стенд №1 для исследования пар трения торцовых уплотнений приспособлен для проведения экспериментов с различными жидкостями (вода, масла и др.). В нем обеспечивается плавное изменение в широком диапазоне: частоты вращения с использованием постоянного тока и вариаторов; давления - при помощи насосов и компрессоров, снабженных регулирующими кранами; температуры -электрическим нагревателем и холодильником. На стенде предусмотрен фильтр, исключающий загрязнение среды продуктами коррозии, износа и предохраняющий исследуемый узел от случайных загрязнений.
Схема стенда для замера толщины смазочного слоя методом штифтов показана на рис.3.1. При испытании неметаллического УПК при смазке водой в трущуюся поверхность УПК запрессовывались через 120 три графитовых штифта диаметром 2 мм и высотой до 100 мк. Непараллельность вращающегося и неподвижного уплотнительных элементов была обеспечена 5 мк. Неподвижный уплотнительный элемент омывался проточной водой, а вращающийся уплотнительный элемент под нагрузкой медленно опускался на эти штифты. Предполагалось, что штифты будут снашиваться до того момента, пока смазочный слой не будет воспринимать всю нагрузку, передаваемую пятой. Чтобы убедиться, что нагрузка не воспринимается штифтами, проводились предварительные опыты по определению зависимости износа штифтов от времени /42/. Эти опыты показали, что основной износ штифта происходит в первую минуту работы.
Исследование трения проводились на стенде №2, обычно называемых машинами трения, изображенном на рис.3.2./13/. Основными опытными данными являются коэффициент трения, износ и состояние поверхностей пары трения. Исследуемая пара трения состоит из неподвижного 1 и вращающегося 2 колец, прижатых одно к другому своими торцовыми поверхностями с помощью рычага и грузов 3. 1- неподвижное кольцо; 2 - вращающееся кольцо; 3 - грузы для прижатия колец; 4 - тензометрические датчики для определения момента трения пары; 5-карданное соединение кольца с корпусом; 6 - насос.
Жидкость подается через корпус 5 во внутреннее пространство пары трения насосом 6. Момент трения пары определяют с помощью тензометрических датчиков 4, наклеенных на две упругие балки. Для обеспечения большей угловой подвижности кольца 1 использовано его карданное соединение с корпусом 5. Описанный стенд позволяет в широком диапазоне изменять удельную нагрузку и скорость скольжения в парах трения. Задачами испытаний на стенде пар трения являются: предварительный отбор наиболее работоспособных пар трения путем сравнения показателей их трения и износа, определение границ работоспособности пар трения в зависимости от режима трения, обусловленного в первую очередь удельной нагрузкой в парах. Время проведения таких экспериментов составляет нескольких часов для одной пары трения.
После предварительного отбора пар трения конструктивные параметры уплотнения отрабатывались на экспериментальном образце, эскиз и общий вид которого показан на рис.3.3. Рисунок 3.4. Стенд №3 для определения утечек различных жидких сред через зазоры пар трения объемным способом 1- исследуемое торцовое уплотнение; 2-насос; 3-манометр.
Стенд №3 может применяться при определении утечек в виде отдельных капель, струек, когда можно собрать в некотором объеме или отсчитать число капель за определенное время (в среднем можно принять в расчете объем одной капли 0,1 см3, он зависит от поверхностного натяжения жидкости). Во многих случаях, особенно при работе уплотнений на легко испаряющихся жидкостях (воде, углеводородах, сжиженных газах), видимой утечки через уплотнение не происходит и жидкость испаряется из зазора уплотнения без образования капель. Утечку в этих случаях определяют, собирая пары жидкости в герметично объеме за уплотнением и конденсируя их на охлаждаемых стенках. Если жидкость является раствором трудноиспаряющихся солей (например, морская вода), то утечку определяют, взвешивая соли, выделяющиеся на выходе из зазора пары трения. При этом следует учитывать, что соли распространяются по поверхностям примыкающих стенок во всех направлениях (в том числе и вверх по стенке). Если объем жидкости в стенде невелик и герметично отделен от окружающего пространства то определяют суммарную утечку жидкости, наблюдая снижение уровня в какой-либо из емкостей (при помощи водомерного стекла или уровнемера). Значительные трудности возникают при определении утечке жидкостей, содержащих фракции с различно температурой кипения, склонных к образованию воздушной эмульсии и хорошо смачивающих твердые поверхности (нефть, минеральные масла и др.). В этих случаях часть жидкости при утечке испаряется, оставшаяся часть образует эмульсию и растекается по стенкам. При определении утечек газообразных сред используют метод вытеснения ими жидкостей, не поглощающих эти среды. При исследовании гидростатических и крупных гидродинамических торцовых уплотнений утечки настолько велики (десятки и сотни литров в час), что их определяют с помощью расходомеров.
Комплексная проверка разработанных торцовых уплотнений проводилась на стенде №4 для ресурсных испытаний, представленный на рис.3.5 - 3.6. На этом стенде имитировались условия эксплуатации уплотнений в реальных условиях на насосах, компрессорах и т.п. Для вращения используется ходовая часть токарного станка. Крепление вала, на котором испытывается торцовое уплотнение, осуществляется в шпинделе станка ( б) на рис.3.5). Для испытания двойных и тандемных уплотнений используется система обвязки ( б) на рис.3.6). Режимы и их фиксирование в ходе испытания
Выбор конструктивной схемы уплотнений
Выбор конструктивной схемы уплотнения определяется техническими требованиями, предъявляемыми к уплотнению, рабочими параметрами уплотняемой среды и условиями эксплуатации. Для давлений уплотняемой среды до 20 МПа применяются следующие основные схемы, разработанные автором совместно с сотрудниками НПЦ «Анод» /44-46, 53-55 /: 1. Одинарное торцовое уплотнение - уплотнение нейтральных сред с температурой до 300С. 2. Двойное торцовое уплотнение - уплотнение пожаро- и взрыво опасных, радиоактивных и агрессивных сред с температурой до 300С . 3. Двойное торцовое уплотнение с резервной (аварийной) ступенью -уплотнение повышенной надежности и долговечности для пожаро- и взрывоопасных радиоактивных и агрессивных сред с температурой до 300С. 4. Уплотнение типа "тандем" - в отличие от двойного уплотнения, запирающая среда не используется, надежность и долговечность обеспечиваются резервированием, а в отличие от одинарного - исключаются неконтролируемые протечки в атмосферу. 5. Двойное торцовое уплотнение с теплообменником в корпусе - для пожаро- и взрывоопасных, радиоактивных и агрессивных сред с температурой до 300 С и собственным энерговыделением до 35 кВт. преимущество - не требует выносных систем охлаждения (проточная техническая вода в качестве охлаждающей жидкости). 6. Двойные торцовые уплотнения с циркуляцией через внешний теплообменник для пожаро- и взрывоопасных, радиоактивных и агрессивных сред с температурой до 300С и собственным энерговыделением свыше 35 кВт. Преимущество - уменьшение размеров в радиальном направлении. 7. Двойное торцовое уплотнение с встроенными теплообменниками - для пожаро- и взрывоопасных, радиоактивных и агрессивных сред с температурой до 500 С и энерговыделением до 35 кВт. 8. Двойное торцовое уплотнение с встроенным теплообменником и с циркуляцией через внешний холодильник- для пожаро- и взрывоопасных, радиоактивных и агрессивных сред с температурой до 500С и энерговыделением свыше 35 кВт. Что касается сильфонных уплотнений, учитывая изложенное в гл. 1, был выбран курс не на прямое решение задачи: если есть большая температура -подбор термостойких материалов, а на другое решение - снизить в локальной зоне температуру, обеспечив приемлемые условия работы уплотнения. Уплотнение, предложенное с участием автора конструкции, защищено от поступления значительного количества тепла со стороны как поверхности сальниковой камеры насоса, так и со стороны вала насоса встроенным холодильником. Практика эксплуатации таких уплотнений показала правильность принятых решений полученным ресурсом работы, превышающим ресурс работы сильфонных уплотнений зарубежных фирм /49/. В качестве охлаждающей среды в холодильнике используются жидкости, охлаждающие затворную жидкость в сильфонных уплотнениях, то есть создание дополнительных систем отвода тепла не требуется.
При назначении номинальных размеров основных функциональных деталей уплотнения (антифрикционные кольца, опорные кольца и т.д.) необходимо прежде всего руководствоваться соображениями конструктивной и технологической жесткости указанных элементов - деформация их не должна превышать 1 мкм в условиях, предусмотренных техническими требованиями эксплуатации уплотнения.
Форма основных элементов должна сводить к минимуму деформации, возникающей под действием силовых и температурных факторов при работе уплотнения. Рационально использование наиболее простых форм основных элементов.
Допуск на размеры и формы деталей уплотнения должны сводить к минимуму факторы, неблагоприятно влияющие на работу уплотнения -торцовые и радиальные биения. Дается увеличение зазоров во вспомогательных и вторичных уплотнениях и т.д. На основные функциональные детали допуска на размеры, влияющие на вышеуказанные факторы, назначаются не ниже 3 класса точности, а при изготовлении уплотнений, рассчитанных на высокие параметры - по 2 классу точности.
Чистота поверхностей в УПК, а также опорных контактирующих торцов деталей назначается не грубее 0,1 мкм и должна быть не ниже 8 класса чистоты. Неплоскостность поверхностей в УПК и опорных торцов не должна превышать 2 мкм. Контроль плоскостности должен осуществляться оптическим (интерференционным) способом путем наложения пластины стеклянной ГОСТ 2923-59 на контролируемую поверхность, освещение монохроматическим светом и сравнения интерференционной картины с эталонной. При выборе материалов для изготовления деталей уплотнений рассматривают четыре класса деталей и узлов: 1. Антифрикционные кольца. 2. Вторичные и вспомогательные уплотнения. т 3. Детали активной части уплотнения. 4. Корпусные детали. Общие требования ко всем материалам: - химическая стойкость по отношению к рабочей, запирающей, охлаждающей и окружающей средам; - совместимость материалов между собой, с запирающей, рабочей и охлаждающей средой; - термическая стойкость в диапазоне рабочих температур уплотнения; комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих их функционирование в заданных условиях в течение всего срока эксплуатации. Требования, предъявляемые к отдельным группам: а) антифрикционные материалы: - эрозионная стойкость; - изотропность; - однородность (размеры локальных неоднородностей должны быть значительно меньше ширины уплотняющего пояска); - отсутствие дефектов структуры (трещин, пор и др.); - высокая износостойкость (при наличии абразивов в рабочей или запирающей среде); - отсутствие внутренних напряжений в материале; - высокая теплопроводность. б) Детали активной части уплотнения: - высокий модуль упругости (не ниже Е = 2,1 х 10 5МПа); - необходимая твердость (не ниже HRC= 35) в) Корпусные детали: - хорошая свариваемость. Основной задачей проектирования УПК является создание уплотнений с наименьшим расходом рабочей и уплотняемой сред и высокой надежностью работы в течение всего периода эксплуатации: К исходным данным для проектирования УПК относятся: - район плавания судна (соленая или пресная забортная вода); - режим работы уплотнения; - величина нагрузки на уплотнение; материалы валов; -допустимая величина утечек. Математическое описание работы УПК и проведенные экспериментальные исследования служат основой для методики проектирования уплотнений при различных условиях функционирования. На рисунке 4 представлен алгоритм проектирования уплотнения. Расчет УПК торцового уплотнения проводится по следующей схеме: 1. Определяются силовые и гидродинамические характеристики при неподвижном вале с использованием уравнений (2.2 - 2.5) при условии ы=0. 2. Определяются силовые и гидродинамические характеристики при вращающемся вале с использованием уравнений (2.2- 2.5) при условии ш= ШуСТ, где U)yCT - частота вращения уплотняемого вала. 3. Проводился расчет сил трения и выделяющегося тепла в паре трения с использованием экспериментальных данных о зависимости толщины
