ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УПЛОТНЕНИЙ ШТОКА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Задача создания надежных уплотнений штоков поршневых компрессоров до сих пор остается актуальной. Требования, предъявляемые к этим уплотнениям просты: достаточная герметичность, небольшие потери на трение, износостойкость и надежность. Для изучения рабочего процесса в уплотнении и проработки рекомендаций нами была разработана расчетная программа. Для удобства программа была написана на языке баз данных, имеющем наглядный интерфейс и возможность работы в диалоговом режиме. Кроме того, все расчеты автоматически заносятся вместе с датой проведения расчета в соответствующую базу, позволяющую обратиться к ней в любой момент для просмотра и печати избранных фрагментов.

На начальном этапе граничными и начальными условиями являлись постоянное давление и температура на входе и выходе из уплотнения. Математическая модель базировалась на традиционных уравнениях: термодинамики незамкнутой системы, теплообмена и уравнении истечения Сен-Венана-Венцеля.

Основные зависимости в конечно-разностной форме:

Нами были проведены оценочные расчеты при изменении от 100 до 500, т.е. в несколько расширенных границах по сравнению с теми, в которых обычно находится коэффициент теплоотдачи. Было установлено, что на распределение давлений и температур по камерам уплотнения коэффициент оказывает слабое влияние ( по давлению при заданном диапазоне изменения не превышают 0.1 %, а по температуре – 0.5 %). Это связано, по-видимому, с очень небольшой поверхностью теплообмена, малым временем контакта и незначительной разностью температур газа и стенок уплотнительных камер. Поэтому в расчетах коэффициент принимался равным 300. Поскольку большая часть уплотнения находится вне рабочей камеры цилиндра, то температура поверхности камер задавалась одинаковой, равной среднеарифметической между температурой на входе в уплотнение и на выходе из него. В случае задания переменного давления на входе выбиралась температура нагнетания и температура в картере.

Основным комплексом, влияющим на массовые перетечки через уплотнение, собственно и определяющих его герметичность, является произведение коэффициента расхода на значение зазора.

Эти коэффициенты можно получить только в процессе проведения экспериментов. С этой целью на Краснодарском компрессорном заводе была создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать процессы в камерах УШ и массообмен через уплотнение в зависимости от количества уплотняющих камер.

Принципиальная схема стенда включает в себя экспериментальный компрессор, 2 вспомогательных компрессора, влагомаслоотделители и измерительные приборы: тензостанцию, осциллографы, мосты постоянного тока, газовые счётчики и датчики давления и температуры.

Для записи мгновенных давлений в камерах сальника были изготовлены малогабаритные тензометрические датчики, имеющие пределы измерения от 0,2 до 25МПа. Мембрана датчика изготовлена из сплава 36НХТЮ. Сплав обладает высоким модулем нормальной упругости (19000-20000 МПа) и применяется для изготовления упругих чувствительных элементов. Для преобразования деформации мембраны в электрический сигнал используется, включаемый по схеме ионного моста, фольговый тензопреобразователь с базой 10мм, который наклеивается клеем горячего отвердения ЕГ-250.

Для измерения мгновенных температур в камерах сальника были специально изготовлены датчики, работающие по принципу термометров сопротивления. Термоприёмники этих датчиков выполнены из вольфрамовой проволоки с золотым покрытием диаметром 6 мкм.

Для контроля температуры трущейся поверхности штока в нём были установлены 3 хромель-копелевые термопары. Их чувствительные элементы располагались на расстоянии 0,5мм от поверхности штока. Вывод проводов термопар производился через радиальные и осевые сверления на токосъёмное устройство, позволяющее подвести провода к ампер-вольтметру, регистрирующему термо-э.д.с.

Конструкция стенда позволяет измерять утечки газа через УШ с помощью газового счётчика ГСБ-400.

На стенде испытывался сальник с плоскими уплотнительными элементами (рис.1).

Сальник содержит камеры 1 с уплотнительными элементами, состоящими из замыкающего кольца 2, уплотняющего кольца 3 и неразрезного опорного кольца 4.

Высота колец 2 и 3 выполнена в соответствии с ОСТ-26-12-2035-83 при диаметре штока, равном 32мм. Замыкающее кольцо 2 разрезано на 3 части, а уплотняющее кольцо 3 разрезано на 6 частей таким образом, что короткие радиальные прорезы перекрыты сверху сегментами. Замыкающее кольцо 2 не устраняет прохода газа в камеру и, будучи прижато давлением газа к уплотняющему кольцу 3, служит для того, чтобы перекрывать с торца прорезы уплотняющего кольца 3. Для обеспечения перекрытия стыков кольца 2 и 3 взаимно фиксированы штифтом. Каждое из колец охватывается по окружности браслетной пружиной 5, производящей предварительное уплотнение между кольцом сальника и штоком. Материалом уплотнительных колец был графитофторопласт АФГ-80ВС.

Неразрезные кольца 4 выполнены из текстолита, в котором в качестве наполнителя используется шифон. Эти кольца установлены по отношению к штоку с гарантированным зазором. Между наружными поверхностями колец 4 и внутренними расточками колец 2 и 3 после изготовления УШ предусматривается зазор, по величине меньший, чем зазор между кольцами 4 и штоком. По мере приработки колец 2 и 3 к штоку зазор между кольцами 4 и кольцами 2 и 3 ликвидируется, после чего кольца 2 и 3 плотно охватывают кольца 4 своими расточками. В результате этого не происходит дальнейшего прижатия колец 2 и 3 к штоку, что снижает износ колец и потери на трение.

Исследование работы УШ проводилось при давлении перед сальником, равном 10, 11, 12 и 13 МПа. Средняя скорость штока составляла 2,08 м/с. Сальник состоял из 9 камер. Замерялись давления и температуры по камерам уплотнения.

Для определения зазоров при течении газа через УШ производился замер утечек с помощью газового счётчика. Было проведено сравнение массового расхода утечек с теоретическим массовым расходом, рассчитанным по формуле проф. С.Е.Захаренко:

Коэффициент расхода назначался постоянным и равным 0.7. По результатам продувок различных авторов он находится в пределах 0.7-0.9. Сравнивая расчетный расход через уплотнение с имеющимися экспериментальными данными можно сделать вывод, что зазор в уплотнении колеблется в пределах 3-10 мкм.

Расхождение в значениях обусловлено, по-видимому, неточностями эксперимента. Поэтому были проведены вариантные расчеты, демонстрирующие влияние значения зазора на распределение давлений по камерам уплотнения и на количество утечек через уплотнение. Зазор менялся от 1 до 30 мкм. При этом давление на входе в уплотнение было постоянным и равным 0.7 МПа, температура на входе не менялась и равнялась 390 К. Свободный объем камеры рассчитывался исходя из ОСТа 26-12-2035-83 (тип А) и в основных расчетах принимался равным 0.4•10-4м3. Частота вращения задавалась постоянной n=1000 об/мин. Расчеты производились через 1 поворота коленчатого вала. Уменьшение шага расчета не приводит к увеличению точности, однако, его увеличение может вызвать ошибки в расчете, в особенности, в области перехода от докритического к критическому истечению. Расчеты проводились методом последовательных приближений. Цикл повторялся через каждые 360. Количество итераций увеличивалось с уменьшением числа уплотнительных элементов (УЭ). Это связано с тем, что распределение давлений по камерам для небольшого числа камер отличается от пропорционального, заданного как начальное.

В данной работе изучается рабочий процесс в уплотнении при постоянном давлении на его входе. При проведении параметрического анализа на монитор и печать выводились следующие данные: давление и температура по всем камерам, массовый расход через каждый УЭ.

Было исследовано влияние числа камер, зазора в уплотнении при их одинаковом значении для каждого элемента и увеличении одного из зазоров по длине уплотнения, свободного объема камеры и изменения перепада, срабатываемого на уплотнении.

ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА КАМЕР В УПЛОТНЕНИИ

При исследовании число УЭ изменялось от 3 до 7 при различных зазорах и свободных объемах камер. Чем больше количество УЭ, тем меньше перепады давлений на каждом из них (рис.2). Расчет приводился при Vкам= 0,4•10-3м3 и =5 мкм.

Для z>5 максимальный перепад срабатывается на последнем элементе, где зачастую наблюдается критическое истечение. Для меньших значений z максимальный перепад возникает на первом и на последнем УЭ. При любых количествах УЭ перепад на первом камере несколько выше перепадов на промежуточных элементах при достаточно больших свободных объемах. Уменьшение объема приводит к возрастанию перепада на предпоследнем и последнем элементе. Любопытно, что перепад на последнем кольце практически не зависит от объема камеры.

Что касается температуры, то она возрастает для небольших объемов, причем, чем больше количество УЭ, тем больше разность между температурами при больших и малых Vкам, достигающая 50 (рис. 3). При числе камер z=7 температурный перепад составляет до 100 . Чем меньше объем, тем меньше температурный перепад, что физически легко объяснимо: газ не успевает в маленьких объемах потерять достаточное количество теплоты.

ВЛИЯНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ЗАЗОРА

Изменение зазора не меняет практически пропорциональный характер распределения давлений по камерам (рис. 4). Зазор менялся от 1 мкм до 30 мкм. Чем больше зазор, тем меньше перепады на промежуточных элементах. Зазор более 40 мкм представляет собой отверстие, давления по камерам мало отличаются от давления на входе и весь перепад срабатывается на последнем элементе.

Для зазоров 1 мкм и 5 мкм был рассчитан расход через уплотнение в зависимости от числа УЭ (рис. 5). Как выяснилось, расход не пропорционален зазору: при меньших зазорах влияние числа камер менее выражено, кроме очень малого числа камер (в нашем случае при z =3). Это связано с тем, что при малых z возникает критическое истечение, зависящее только от параметров перед щелью.

В процессе работы уплотнительные элементы изнашиваются неравномерно. Это зависит от перепада давлений, срабатываемого в каждой уплотнительной камере, а также от неоднородности используемого материала, неточности сборки и дефектов обработки. Поэтому было интересно исследовать, какое влияние на герметичность уплотнения оказывает неравномерность зазора по длине уплотнения. В уплотнении из 7 камер последовательно увеличивался зазор в 10 раз на одном из УЭ. Как показали расчеты, давление в камере с увеличенным зазором уменьшается, однако, в последующей камере происходит рост давления и увеличение перепада на последующем элементе. Возмущение заметно только на УЭ с увеличенным зазором и на следующем за ним элементе. Во всех остальных камерах параметры практически не меняются. Увеличение зазора на последнем УЭ ведет к уменьшению давления в последней камере (рис. 6).

Расход через уплотнение при увеличении зазора на одном из УЭ практически не меняется за исключением последних 2-х камер. Увеличение зазора на предпоследнем элементе приводит к возрастанию расхода на 80%, а на последнем на 90% по сравнению с расходом при увеличении зазора на предыдущих элементах (рис. 7). Таким образом, герметичность резко уменьшается, если на последних элементах увеличивается зазор.

ВЛИЯНИЕ СВОБОДНОГО ОБЪЕМА КАМЕРЫ УПЛОТНЕНИЯ

Однозначной зависимости расхода от свободного объема камеры не было обнаружено. При малом количестве УЭ при большом объеме (объем менялся в 10 раз от Vкам=0.4•10-4м3 до Vкам=0.4•10-3м3) расход несколько выше (рис. 8), а при большом количестве камер наоборот уменьшается, что связано, по-видимому, с переходом при z =5 с критического на докритическое истечение. Поэтому для каждого конкретного случая необходим расчет.

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ НА УПЛОТНЕНИИ

Давление на входе в уплотнение менялось от 0.7 МПа до 10 МПа. Давление на выходе оставалось постоянным и равным 0.1 МПа. Было установлено, что зависимость расхода от перепада давлений практически прямопропорциональная (рис 9). Увеличение зазора приводит к резкому увеличению расхода особенно при высоких давлениях. Расход при =10 мкм примерно в 2.5 раза превышает расход при =1 мкм при давлении на входе 10 МПа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Нами была разработана программа для расчета параметров газа по длине уплотнения штока и герметичности уплотнения.

На основании параметрического анализа данных полученных по программе, было установлено, что увеличение количества камер уплотнения приводит к уменьшению расхода, причем, при z>5 это уменьшение уже незначительно. Уменьшение свободного объема камеры неоднозначно сказывается на расходе: при небольшом количестве УЭ расход при малом объеме больше, чем при большом, а при z>5 – меньше.

Зависимость от зазора при 5 мкм практически пропорциональная. При малых зазорах имеет место переход от критического к докритическому истечению. Влияние неравномерности задания зазора по длине уплотнения существенно лишь при увеличенном зазоре на последнем и предпоследнем элементе.

Увеличение перепада приводит к пропорциональному росту расхода, причем, чем больше зазор, тем более выраженный характер имеет уменьшение герметичности.

В дальнейшем предполагается изучить характер изменения параметров газа в уплотнении при давлении на входе, меняющемся в соответствии с индикаторной диаграммой. Кроме того, необходимо сравнить результаты, полученные при расчетах по формуле Сен-Венана-Венцеля и по формуле профессора С.Е. Захаренко.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004