Исследование рабочих пар "сухих" торцовых уплотнений на основе газодинамического и термонапряженного анализа

Полученные данные для коэффициентов теплоотдачи  хорошо согласуются с данными, приведенными в работе [5]. Коэффициенты теплопроводности для материалов углеграфит, карбид вольфрама принимались следующими: ₁=31,9 Вт/(м·К), ₂=71,2 Вт/(м·К) соответственно.

Определение температурных  полей и НДС неподвижного и  вращающегося колец уплотнений проводилось с использованием программного комплекса, реализующего МКЭ как в трехмерной, так и в осесимметричной постановке [3] с учетом радиального распределения давления (рис. 4, кривая 2) и силового воздействия от давления и поджимающей пружины.

При определении НДС  колец осевые размеры были подобраны  таким образом, чтобы обеспечить плоскопараллельное течение газа в  щели уплотнения без учета температурных деформаций колец. Особое внимание при расчете НДС уделялось неподвижному кольцу из углеграфита как наиболее податливому. Поэтому для неподвижного кольца были выполнены расчеты НДС как в трехмерной, так и в осесимметричной постановке. Результаты расчета осевых перемещений показаны на рис. 5.

 

а)

б)

 

 

Рисунок 5 – Деформированное  состояние неподвижного кольца  
уплотнения для объемной (а) и плоской (б) моделей

 

Проведенные расчеты неподвижного кольца в объемной и плоской постановках  показали, что можно построить плоскую модель, учитывающую особенности объемной модели, для которой результаты хорошо совпадают с более точной объемной моделью кольца. Для сравнения: в случае применения плоской модели при расчете неподвижного кольца конусность уплотнительного пояска составила         1,74 мкм, а для объемной модели – 1,42 мкм (рис. 5). Поэтому при дальнейшем исследовании термонапряженного состояния рабочих колец уплотнений задача решалась в плоской постановке.

Результаты расчета температурных  полей для колец уплотнения приведены на рис. 6.

С учетом силового нагружения, учитывающего радиальное распределение давления в щели в соответствии с кривой 2 (рис. 4), теплового воздействия (рис. 6) и действия центробежных сил для вращающегося кольца проведен расчет термонапряженного состояния рабочей пары уплотнения.

 

Углеграфит	1	2	Карбид   вольфрама

 

Рисунок 6 – Температурное  поле

 

Деформированное состояние в осевом направлении для колец показано на рис. 7.

 

Углеграфит	1	2	Карбид   вольфрама

 

Рисунок 7 – Деформированное  состояние колец уплотнения от термосилового нагружения

 

Расчет температурных  деформаций для стационарной работы уплотнения показал, что конусность зазора имеет конфузорность и составляет величину 10,7 мкм (рис. 7). Естественно, образование конфузорности в щели уплотнения приводит к перераспределению давления в щели, к увеличению распорной силы и, как следствие, к увеличению зазора, и в конечном итоге к уменьшению конфузорности.

Используемые программные  средства позволяют определить закон  распределения давления в щели уплотнения с учетом конусности зазора, распорную силу, уравновешивающую газостатическую, и деформированное состояние колец, соответствующее новому термосиловому нагружению. Проведенные расчеты уплотнения показали, что окончательная величина зазора находится в пределах 3–4 мкм и имеет конфузорный вид.

Термонапряженное состояние  для пары колец в виде поля интенсивности  напряжений показано на рис. 8.

 

 

Углеграфит		1	2	Карбид вольфрама

 

 

Рисунок 8 – Распределение интенсивности  напряжений

 

Уровень максимальных напряжений для неподвижного и вращающегося колец составил 33,2 МПа и 56,9 МПа соответственно, что говорит о достаточном запасе прочности.

Проведенные исследования уплотнения показали, что использование  разработанных программных средств  позволяет еще на стадии проектирования СТУ учесть особенности работы уплотнения.

 

 

Summary

 

With axisymmetric and three-dimensional end element models of rings for dry face seal working pairs, there is examined their thermostressed state in view of pressure distribution in a clearance between rings. This distribution is obtained on a basis of gas dynamics analysis.

 

 

Список  литературы

 

1. Роговой Е.Д., Левашов В.А., Розова Л.В. Особенности создания "сухих" газодинамических уплотнений с парой трения на основе “AL₂O₃-AL₂O₃” // Труды Симпозиума «Потребители и производители компрессоров и компрессорного оборудования».- СПб: СПбГТУ, 2002. - С. 162-166.
2. Фалалеев С.В., Виноградов А.С. Некоторые вопросы проектирования торцовых бесконтактных уплотнений // Компрессорная техника и пневматика. - 1998. - Вып. 1-2 (18-19). - С. 45-50.
3. Левашов В.А. Расчетно-экспериментальное исследование термонапряженного состояния корпуса цилиндра низкого давления компрессора ГПА // Динамика и прочность машин. - 1990. - Вып. 51. - С. 118-125.
4. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М.: Госэнергоиздат, 1956. – 378 с.
5. Ден Г.Н., Крицул С.И., Шутов А.В. Оценка влияния теплоотвода на температуру газа в щели сухого торцового канавочного уплотнения // Компрессорная техника и пневматика. - 1997. - Вып. 1-2 (14-15). - С. 84-89.

 

 

Поступила в редколлегию 28 января 2003г.