Методика инженерного расчёта торцевого уплотнения

Ниже представлена краткая упрощённая методика инженерного расчёта гидравлически нагруженного торцевого уплотнения вала насоса, а ниже приведена ссылка на онлайн-сервис. Общие положения этой расчетной методики могут быть использованы при проведении только грубых оценочных расчетов параметров торцевых уплотнений насосов. Более детальные расчеты параметров уплотнений различных конструктивных исполнений можно проводить с использованием нашего программного комплекса MSLC. Оценочные расчеты торцевых, а также других типов уплотнений, можно выполнить с помощью наших калькуляторов-онлайн.

⇒ Бессеточный метод на основе радиальных базисных функций для численного решения уравнения Рейнольдса применительно к торцевому уплотнению вала

На эскизе представлен вид уплотнительной камеры водяного насоса с установленным торцевым уплотнением (Патент РФ №72741, Патент РФ №53744).

Площадь контакта торцевого уплотнения

где

D₁ - внутренний диаметр кольца пары трения.

D₂ - наружный диаметр кольца пары трения.

Контактное давление в паре трения от усилия пружины сжатия

где

F_cs - усилие от пружины сжатия.

Рабочее контактное давление в паре трения

где

Δp - 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

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

Средний диаметр пояска в паре трения торцевого уплотнения

---

---

Линейная скорость на среднем диаметре пояска пары трения

где

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

Начальное приближение величины зазора в паре трения

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

где

μ(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 при работе торцевого уплотнения

где

Q₁ - количество тепла от барботажа рабочей жидкости от вращающейся части уплотнения внутри уплотнительной камеры насоса.

Q₂ - количество тепла, выделяемое в паре трения.

Количество тепла при барботаже рабочей жидкости

где

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

L_max - максимальная длина вращающейся части торцевого уплотнения насоса.

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

Количество тепла в паре трения торцевого уплотнения

где

f - коэффициент трения, зависит от многих факторов и параметров, но для оценочных расчетов можно принять f = 0,06...0,08.

Ниже приведен график к определению оценочной зависимости коэффициента трения f от фактора нагрузки G.

Нагрев рабочей жидкости в уплотнительной камере насоса

где

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

Максимальная температура рабочей жидкости в зазоре пары трения

где

λ_a - теплопроводность вращающегося кольца;

λ_b - теплопроводность неподвижного кольца;

h_c - коэффициент теплопередачи от колец пары трения в рабочую жидкость (для воды в зависимости от скорости вращения и других параметров оценочно можно принять ~ 5000...12000 Вт/[м² • К]);

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

Оценочная величина утечки рабочей жидкости через пару трения торцевого уплотнения

где

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

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