книги из ГПНТБ / Васильцов Э.А. Бесконтактные уплотнения

Э. А. В А С И Л Ь Ц О В

і

БЕ С К О Н Т А К Т Н Ы Е

УП Л О ТН Е Н И Я

ЛЕНИНГРАД „ М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е “

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

19 7 4

6П5.3 У Д К 62-762.62

/Ус-&/

Ва с и л ь ц о в Э . А .

В19 Бесконтактные уплотнения. Л ., «Машиностроение» (Ленингр. отд-иие), 1974, 160 с.

Вкниге изложены материалы, позволяющие наиболее рациональным образом рассчитать и сконструировать уплотнения бесконтактного типа. Рассмотрены особенности работы статических и динамических уплотнений в зависимости от их геометрии, физико-химических свойств уплотняемой среды и параметров среды перед уплотнением.

Даны практические рекомендации, позволяющие выбрать наиболее опти­ мальный тип уплотнения для применения его в той или иной отрасли техники.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией машин и аппаратов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства.

Табл. 12. Ил. 92. Список лит. 64 назв.

6П5.3

т

Рецензент канд. техн. наук Ю . К . Ч е х о в

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

Введение

В современной технике наблюдается устойчива'я тенденция к увеличению частоты вращения валов агрегатов и переход с ти­ хоходных на все более быстроходные машины и аппараты. Это обусловлено возрастающими требованиями уменьшения габарит­ ных, весовых и гидродинамических характеристик машин, требо­ ваниями улучшения их экономических показателей, а также тре­ бованиями увеличения выхода конечного продукта более высокого качества. Естественно, что более высокие частоты вращения валов машин и аппаратов требуют усовершенствования методов их уплот­ нения.

Применение укоренившихся методов уплотнения путем ис­ пользования мягких сальниковых набивок не позволяет в значи­ тельной степени увеличить частоту вращения валов машин и агре­ гатов. Новые типы самосмазывающихся сальниковых набивок, имеющих в качестве наполнителей компоненты графита, молибдендисульфида, а также армированные, панцирные и дублиро­ ванные сальниковые набивки позволили в ряде случаев увеличить частоту вращения валов машин до 1500—3000 об/мин и достичь окружной скорости вала в зоне уплотнения до 20— 25 м/с. Кон­ струкциями такого типа могут уплотняться рабочие камеры, на­ ходящиеся под избыточным давлением до 200 кгс/см2 и работаю­ щие при температуре от — 50 до +550° С [3].

Однако этот метод уплотнения не является универсальным не только из-за увеличенной стоимости сальниковых набивок и уве­ личенных эксплуатационных расходов, но и из-за значительных трудностей, связанных с отводом тепла трения из зоны уплотнения,

итрудностей конструкционного оформления зоны уплотнения. Более перспективным является использование принципиально

новых типов уплотнений — контактных торцовых уплотнений^ применение которых позволило увеличить частоту вращения ва­ лов машин и аппаратов до 3000— 9000 об/мин и достичь окружной скорости вала в зоне уплотнения до 25—50 м/с. Конструкциями такого типа могут уплотняться рабочие камеры, находящиеся под избыточным давлением до 150— 250 кгс/см2 и работающие при

температуре от — 75 до +300° С [12]. Но этот вид уплотнений имеет также ряд конструкционных и эксплуатационных недостат­ ков, что сдерживает широкое их внедрение в современную технику, переходящую от индивидуальных агрегатов на автоматизирован­ ные технологические линии, связанные в единое целое общностью решаемых технологических задач. При такой переходе предъяв­ ляются особые требования к методам уплотнения, причем пред­ почтительны те конструкции, которые работают при минимальном обслуживании и обладают высокой герметичностью и износостой­ костью. В этом отношении бесконтактные уплотнения, т. е. уплот­ нения, в которых отсутствуют непосредственный контакт между вращающимися элементами уплотнения и неподвижными его де­ талями, обладают рядом преимуществ.

Работа бесконтактных уплотнений обусловлена наличием ме­ ханического воздействия вращающихся и неподвижных элементов этих уплотнений на уплотняемую жидкость, в результате чего в уплотняемой зоне создается сопротивление, приводящее к сни­ жению утечек жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давления. В ряде случаев в уплотняемой зоне создается противодавление, обеспечивающее возможность работы уплотне­ ния с нулевыми протечками жидкости. Низкие потери на трение, высокая надежность и долговечность в работе, которые факти­ чески не изменяются с увеличением частоты вращения, делают перспективным применение бесконтактных уплотнений в совре­ менных машинах и аппаратах.

Тем не менее развитие и использование бесконтактных уплот­ нений сдерживалось основным их недостатком: наличием утечек жидкости через зону уплотнения при нулевых частотах вращения уплотняемого вала. Поэтому появление комбинированных уплот­ нений, обладающих положительными качествами бесконтактных и контактных уплотнений, открыло широкую перспективу их ис­ пользованию в современной технике. Появилась возможность со­ здания высокоэкономичных машин и аппаратов, обладающих вы­ сокой степенью надежности и длительной работоспособностью.

При анализе конструкционных возможностей уплотнений раз­ личных типов выявилось, что они требуют различного конструк­ ционного воплощения. Так, например, при выборе методов уплот­ нения вращающихся валов необходимо создавать уплотнения, обладающие минимальной, а в ряде случаев и нулевой, утечкой уплотняемой жидкости. Кроме того, они должны иметьмини­ мальные габариты, высокую степень надежности в работе, т. е. обладать максимально возможным сроком службы и характери­ зоваться оптимальными энергетическими показателями.

Одновременно решить все эти задачи невозможно, так; как со­ здание уплотнения, например с минимальной утечкой жидкости, возможно лишь при увеличении его габаритных размеров и харак­ теризуется повышенными потерями энергии на создание уплот­ нительного эффекта. С другой стороны, создание уплотнений с вы­

4

Г Л А В А I

К Л А С С И Ф И К А Ц И Я И Т Е Р М И Н О Л О Г И Я Б Е С К О Н Т А К Т Н Ы Х У П Л О Т Н Е Н И Й

Освоение от года к году возрастающего объема информации чрезвычайно затруднено многозначностью и синонимичностью тех­ нического языка, а также отсутствием достаточно четкой класси­ фикации того или иного типа машин. Это относится и к различным конструкциям уплотнительных устройств, разработанных в на­ стоящее время для весьма широкого ряда машин и аппаратов. Несмотря на довольно значительный период развития уплотни­ тельной техники, классификация ее до настоящего времени еще не завершена и ограничена в основном классификацией уплотнений контактного типа [12, 19, 29]. Что же касается классификации и определения основных понятий бесконтактных уплотнений и за­ крепления за каждым из них одного, строго присущего ему, тер­ мина, то в этой области работы фактически отсутствуют.

Исходя из этого, в настоящей работе предпринята попытка классификации всего ряда бесконтактных уплотнений и разра­ ботки терминологических понятий, определяющих этот ряд, его отдельные элементы, принципы и особенности' их работы. Такая попытка позволит увеличить «количество знания относительно каждого из рассматриваемых объектов, позволяя рассматривать этот объект с различных сторон и обнаружить в нем новые отно­ шения, которые он без этого не мог бы заметить» [47].

Однако прежде чем приступить к классификации бесконтакт­ ных уплотнений и рассмотреть терминологические понятия, опре­ деляющие их, остановимся на некоторых основных положениях.

В качестве основы для последующего изложения рассмотрим понятия, определяющие термины «уплотнение» и «дросселиро-. вание».

Под у п л о т н е н и е м понимается действие, в результате которого ликвидируется переток жидкости или газа из одной уплотняемой камеры в-другую. В случае полной ликвидации перетока жидкости уплотнение будет абсолютным (полным). В слу-

6

чае наличия перетока жидкости уплотнение будет частичным (не полным).

Под д р о с с е л и р о в а н и е м понимается действие, ана­ логичное уплотнению, назначением которого является не ограни­ чение (частный случай) или полная ликвидация перетока жидкости - из камеры в камеру, а сохранение этого, перетока в пределах, не­ обходимых для работы всего механизма в целом.

Таким образом, назначением у п л о т н и т е л ь н о г о д е й ­ с т в и я ( у п л о т н е н и я) является максимальное ограничение перетока жидкости из камеры в камеру, поскольку этот переток является вредным как исходя из экономических соображений (по­ теря ценного сырья или бесполезная циркуляция его из зоны вы­ сокого давления в зону низкого), так и исходя из требований техники безопасности (когда это касается перетока агрессивных, токсичных или пожароопасных сред в атмосферу рабочего поме-, щения).

Принципиально между этими действиями различия не суще­ ствует, поскольку как процесс уплотнения, так и процесс дроссе­ лирования характеризуются необратимым переходом потенциаль­ ной и кинетической энергии жидкости в тепло, однако назначение этих устройств, -производящих «уплотнение» или «дросселирова­ ние», различно и поэтому каждое из них должно классифициро­ ваться отдельно.

Введенные понятия позволяют перейти к терминам, непосред­ ственно характеризующим конструкцию уплотнительных устройств.

Под у п л о т н е н и е м понимается также отдельная деталь или совокупность деталей, образующих механизм, которая или которые ограничивают или полностью ликвидируют переток жидкости из камеры в камеру..

Таким образом, одно* и то же понятие « у п л о т н е н и е » используется и для определения действия и для определения детали или механизма, что приводит к многозначности этого термина. В последнем случае, т. е. для определения конструкции, совер­ шающей уплотнительно’е действие, больше подходил бы термин «уплотнитель». Однако от этого термина приходится отказаться, так как в технической литературе термин «уплотнение» широко применяется как понятие, определяющее и действие, и конструк­ цию [12]. В этой связи автор отходит от концепции А . М. Ампера [47], полагавшего, что «по мере того как открываются новые от­ ношения, следует менять классификацию». Классификация любых объектов должна учитывать исторически сложившуюся термино­ логию в той степени, в которой она соответствует современному

7

уровню знаний. Введение новых понятий в этом случае является лишь отрицательным фактом, поскольку требует значительного

Под к о н т а к т н ы м у п л о т н е н и е м понимают устрой­ ство, уплотняющее действие которого осуществляется в резуль­ тате непосредственного контакта движущихся его деталей с не­ подвижными.

Классификация и терминология контактных уплотнений рас­ смотрены в работах [12, 19].

Под б е с к о н т а к т н ы м у п л о т н е н и е м понимают устройство, уплотняющее действие которого осуществляется в ре­ зультате потерь энергии при движении жидкости в каналах, обра­ зованных элементами вращающихся и неподвижных его поверх­ ностей при наличии гарантированного зазора, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта между этими поверх­ ностями.

По принципу действия бесконтактные уплотнения могут быть разделены: а) на бесконтактные уплотнения статического действия; б) бесконтактные уплотнения динамического действия.

Под б е с к о н т а к т н ы м у п л о т н е н и е м с т а т и ­ ч е с к о г о д е й с т в и я понимают устройство, уплотняющее действие которого осуществляется в результате действия гидро­ динамических сил, возникающих в результате трения жидкости

действие которого осуществляется в результате развития им дав­ ления, противодействующего уплотняемому, а также в результате трения жидкости об элементы поверхностей уплотнения и в ре­ зультате местной турбулизации потока жидкости. /

При этом также различают следующие понятия: уплотняемая камера и уплотняемое давление, уплотняющая камера и уплот­ няющее давление.

Под у п л о т н я е м о й к а м е р о й понимают камеру, за­ полненную жидкостью или газом, находящуюся под избыточным давлением или вакуумом, утечку'жидкости из которой необходимо исключить или ограничить.

Под у п л о т н я ю щ е й к а м е р о й понимают камеру, за­ полненную жидкостью или газом, находящуюся под избыточным давлением или вакуумом, приток жидкости в которую необходимо исключить или ограничить. Уплотняющей камерой может быть и

8

рабочее помещение, в которое надо ограничить или вообще исклю­ чить приток жидкости.

Под у п л о т н я е м ы м или у п л о т н я ю щ и м давлениями соответственно понимается давление жидкости, заполняющей уп­ лотняемую и уплотняющую камеры.

Работа уплотнения статического действия характеризуется на­ личием в системе уплотняемого и уплотняющего давлений. Сте­ пень совершенства уплотнения определяется в этом случае лишь

отметить, что они по своим конструкционным признакам могут быть р а д и а л ь н ы м и — в том случае, когда их уплотняющее действие осуществляется посредством радиального зазора, обра­ зованного между вращаю­

щения вала. Особенности работы уплотнений определяются их спо­ собностью создавать сопротивление протекающей через них жидкости. В'том случае, когда величина сопротивления, оказывае­ мая указанному перетоку (например, перетоку жидкости в количе­ стве Q из камеры А в камеру Б), зависит от величины этого пере­ тока, мы имеем дело с б е с к о н т а к т н ы м у п л о т н е н и е м с т а т и ч е с к о г о д е й с т в и я . Основной особенностью "та­ кого уплотнения является то, что его рабочая характеристика (кривая 1 на рис. 3) проходит через начало координат. Действи­ тельно, так'как сопротивление перетоку жидкости в уплотнениях такого типа пропорционально величине утечек жидкости через него, то при нулевой утечке жидкости Q — 0 (начало координат), сопротивление перетоку будет также равняться нулю. Из этого следует, что рабочая характеристика такого уплотнения, опре­ деляющая связь между утечками жидкости Q через него и пере-

9