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