Главная » Методики инженерных расчетов » Инженерный расчет торцевого уплотнения

Инженерный расчет торцевого уплотнения

Ниже представлена краткая методика инженерного расчета гидравлически нагруженного торцевого уплотнения вращающегося вала насоса. Общие положения этой расчетной методики могут быть использованы при проведении только грубых оценочных расчетов параметров торцевых уплотнений насосов и мешалок и другого оборудования. Более детальные расчеты параметров уплотнений различных конструктивных исполнений можно проводить с использованием нашего программного комплекса MSLC. На эскизе ниже представен вид уплотнительной камеры водяного насоса с установленным в неё торцевым уплотнением (Патент РФ №72741).


Эскиз установки торцевого уплотнения водяного насоса

Площадь контакта торцевого уплотнения определяется по следующей формуле:

Формула площади контактной поверхности пары трения торцевого уплотнения вала,

где

D1 - внутренний диаметр кольца пары трения.

D2 - наружный диаметр кольца пары трения.

Удельное контактное давление в паре трения от усилия пружины сжатия вычисляется по формуле:

Формула удельного контактного давления в паре трения торцевого уплотнения от усилия пружины сжатия,

где

Fcs - усилие от пружины сжатия.

Контактное давление в паре трения определяется по формуле:

Формула расчета контактного давления в паре трения торцевого уплотнения,

где

Дельтаp - перепад давления рабочей жидкости уплотнении.

d - диаметр вала под установку торцевого уплотнения.

a - коэффициент распределения статического давления в паре трения (обычно для упрощения расчета принимают a = 0,5). Этот коэффициент уточняется исходя из расчетного распределения статического давления рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения.

Коэффициент гидравлической нагрузки торцевого уплотнения вала оценивается по формуле:

Формула расчета коэффициента гидравлической нагрузки торцевого уплотнения вала,

При K >= 1 считается, что торцевое уплотнение вала является гидралически нагруженным.

Средний диаметр в паре трения вычисляется по формуле:

Формула среднего диаметра в паре трения торцевого уплотнения вала.

Линейная скорость на среднем диаметре пары трения определяется по формуле:

Формула линейной скорости на среднем диаметре пары трения торцевого уплотнения вращающегося вала,

где

n - угловая скорость вращения вала [1/мин], где диаметр D1 [см].

Начальное приближение величины зазора в паре трения оценивается по следующей эмпирической формуле (только для рабочей жидкости - вода):

Формула оценочного начального приближения зазора в паре трения торцового уплотнения вращающегося вала,

где

h0 - начальный зазор в паре трения уплотнения при v = 0 м/с, обычно определяется исходя из неплоскостности и шероховатости рабочих поверхностей колец.

С - коэффициент, зависящий от свойств рабочей жидкости, для воды находится в пределах [0,6...0,8].

Величина зазора в паре трения уточняется исходя из деформаций колец пары трения, которые в свою очередь зависят от действующих нагрузок (давлений и сил, а также температурных градиентов), определяются в программном комплексе MSLC.

Фактор нагрузки оценивается по формуле:

Формула коэффициента нагрузки торцевого уплотнения,

где

(t) - динамическая вязкость рабочей жидкости при её температуре в зазоре пары трения.

b - ширина контактного пояска трения, определяется как: b = [D2 - D1]/2.

Диапазон G ~ [3e-8....4e-7] является рекомендуемым и примерно соответствует гранично-жидкостному режиму трения в паре трения.

Cуммарное количество тепла, выделяемое при работе торцевого уплотнения, определяется по следующей формуле:

Формула суммарного количества тепла при работе торцевого уплотнения вала,

где

Q1 - количество тепла, выделяемое при барботаже рабочей жидкости от вращающейся части уплотнения внутри камеры насоса.

Q2 - количество тепла, выделяемое в паре трения.

Количество тепла, выделяемого при барботаже рабочей жидкости от вращающейся части торцевого уплотнения, оценивается по формуле:

Формула количества тепла при барботаже рабочей жидкости в камере под установку торцевого уплотнения,

где

ReDmax (t) - число Рейнольдса, определённое для максимального диаметра вращающейся части торцевого уплотнения Dmax, при температуре рабочей жидкости на входе в уплотнительные камеру насоса.

Lmax - максимальная длина вращающейся части торцевого уплотнения насоса.

(t) - плотность рабочей жидкости при её температуре на входе в уплотнительную камеру насоса.

Количество тепла, выделяемого в паре трения торцевого уплотнения, оценивается по формуле:

Формула количества тепла при барботаже рабочей жидкости в камере под установку торцевого уплотнения в зависимости от коэффициента трения,

где

f - коэффициент трения, зависит от многих факторов и параметров, но для оценочных расчетов можно принять f = 0,06...0,08 для рекомендуемого диапазона G ~ [3e-8....4e-7]. На Рис. 1 приведен график к определению оценочной зависимости коэффициента трения f от фактора нагрузки G.

График к определению оценочной зависимости коэффициента трения f в паре трения торцового уплотнения вала от фактора нагрузки G

Рис. 1. График зависимости коэффициента трения f от фактора нагрузки G.

Нагрев рабочей жидкости в уплотнительной камере насоса оценивается по формуле теплового баланса:

Формула нагрева рабочей жидкости при работе торцового уплотнения,

где

V - циркуляция рабочей жидкости через уплотнительную камеру насоса, обычно величина этой циркуляции должна обеспечивать нагрев рабочей жидкости не более, чем на 10оС.

Максимальная температура рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения, приближённо оценивается по следующей формуле:

Формула расчета максимальной температуры рабочей жидкости при работе торцевого уплотнения вращающегося вала,

где

a - теплопроводность вращающегося кольца;

b - теплопроводность неподвижного кольца;

hc - коэффициент теплоотдачи от колец пары трения в рабочую жидкость (для воды можно оценочно принять ~25000 Вт/м2 К);

tinp - температура рабочей жидкости на входе в уплотнительную камеру насоса.

Максимальная температура рабочей жидкости в зазоре пары трения торцового уплотнения зависит от многих факторов, уточнённый её расчет возможен при использовании программного комплекса MSLC.

Оценочная величина утечки рабочей жидкости через пару трения торцевого уплотнения вращающегося вала, приближённо оценивается по формуле (компания EagleBurgmann):

Формула утечки через пару трения торцевого уплотнения вращающегося вала (Burgmann),

где

размерности для этой формулы: p [Бар], n [1/мин], D [мм], h [мкм], (tc) [Па с], (tc) [кг/м3].

Реальная величина утечки рабочей жидкости может превышать расчетную в 2...10 раз.

Возможно проведение расчета торцевого уплотнения с использованием расширенной методики расчета с применением программного комплекса MSLC по техническому заданию и договору.

Методика расчета разработана и опубликована авторами настоящего сайта по материалам справочников и c использованием другой научно-технической литературы.