ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ КАНАВОК СУХИХ УПЛОТНЕНИЙ НА ИХ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для проектирования надежных и экономичных “сухих” уплотнений, которыми в последнее время оснащается все большее количество центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов, необходимо иметь современную расчетную методику, которая позволит с высокой степенью точности получать рабочие характеристики уплотнения. Уточненная методика расчета “сухих” уплотнений должна состоять из решения взаимосвязанных задач газодинамики, теплопроводности и термоупругости. До настоящего времени большинство исследователей, которые занимаются разработкой уплотнений, решали вышеназванные задачи отдельно. В ОАО “Сумское НПО им. М.В. Фрунзе” разработан итерационный алгоритм решения связанной задачи газодинамики и термоупругости и на основе этого алгоритма создан программный комплекс. Совершенствование расчетных методов, создание и применение специализированных программных комплексов необходимо для того, чтобы уже на стадии проектирования “сухих” уплотнений оценивать влияние геометрических и силовых параметров на работоспособность уплотнений.

В данной работе на основе сравнительного анализа расчета “сухих” уплотнений с различной геометрией канавок показаны некоторые особенности проектирования уплотнений с учетом влияния геометрических параметров канавок уплотнений на рабочие характеристики уплотнения. Предполагается, что первый этап проектирования уплотнения пройден и выбраны предварительно основные размеры уплотнения [1]. Схема уплотнения со спиральной канавкой и основными размерами показана на рис. 1, где r2=0.125 м и r1=0.101 м – соответственно наружный и внутренний радиусы зазора; rg – внутренний радиус канавок (варьируемая величина); h – величина зазора (расчетная величина); - глубина спиральных канавок (назначаемая величина в зависимости от величины зазора и геометрии канавок); P2= 6.4 МПа и P1=0.13 МПа – соответственно давление на входе и выходе из щели уплотнения; =555 рад/с – угловая скорость вращения.

Для проведения сравнительного анализа влияния геометрии канавок на рабочие характеристики уплотнения были выбраны уплотнения с тремя типами канавок: спиральными канавками, которые обеспечивают надежную работу уплотнения при одностороннем вращении; Д-образными и одноярусными трапециевидными канавками, которые обеспечивают реверсивную работу уплотнения.

Важным этапом при расчете уплотнения является определение закона распределения давления в щели рабочей пары. Двухмерное поле давлений в щели уплотнений определялось по разработанной программе уточненного расчета “сухих” уплотнений, алгоритм которой изложен в работе [2]. Для этого были подготовлены конечно-элементные модели сегментов уплотнений полностью отражающие геометрию канавок в уплотнениях. Конечно-элементные модели сегментов уплотнений показаны на рис. 2.

Основными показателями работы уплотнения являются: величина зазора, расход и температура в зазоре. Необходимо отметить, что величина зазора связана с распорной силой, возникающей в зазоре от распределения давления. Чем больше распорная сила, тем больше величина зазора. В ходе выполнения расчетов были получены: двумерное распределение давления в зазоре колец реверсивного типа и со спиральной канавкой, температурное поле и термонапряженное состояние уплотнений. Определены распорные силы, возникающие от газодинамического распределения давлений в зазоре уплотнений, и расходные характеристики уплотнений.

Распределение давления в зазоре определялось с учетом теплоотвода через рабочую пару колец уплотнения. Для этого решалась задача теплопроводности для колец уплотнения с естественными граничными условиями теплообмена на поверхностях колец и с источниками тепла в зазоре уплотнения полученных при решении газодинамической задачи с учетом теплоотвода [3]. Таким образом, задача теплопроводности для трех тел “кольцо-газ-кольцо” заменялась задачей теплопроводности для двух колец.

На рис. 3 приведена совместная конечно-элементная модель для расчета температурного поля в рабочей паре колец уплотнения с учетом теплоотвода в осесимметричной постановке. Полученное температурное поле для колец при стационарном режиме работы уплотнения приведено на рис. 4.

Расчет температурного поля проводился при наружной температуре газа 313 К. Температура в зазоре при этом поднялась до 345.79 К. Полученные результаты согласуются с результатами работ других авторов, а также с экспериментальными данными, полученными в ОАО “Сумское НПО им. М.В. Фрунзе”.

На рис. 6 приведено двухмерное распределение давления в зазоре уплотнений для трех видов канавок.

Анализ распределения давления в зазоре уплотнений показал значительную неравномерность давлений для уплотнений реверсивного типа по сравнению с уплотнениями со спиральными канавками. Такая неравномерность распределения давления значительно влияет на выбор геометрии канавок. Как известно, спиральные канавки обеспечивают достаточно хорошие газодинамические и расходные характеристики уплотнения. Добиться подобных показателей для реверсивных уплотнений является одной из основных задач при выборе геометрии канавки. Обеспечение достаточной распорной силы в реверсивных уплотнениях достигалось варьированием, как внутренним радиусом канавки, так и глубиной канавки, а это в свою очередь приводило к необходимости изменения профиля колец.

Распределение давления по радиусу зазора для трех видов канавок приведено на рис. 6. Кривая 4 отражает закон распределения давления в зазоре для уплотнения без канавок и приведена для сравнительного анализа.

Распределениям давлений в зазоре уплотнения, показанным на рис.6 (кривые 1,2,3), соответствует газодинамическая сила равная 91865 Н, которая равна газостатической, но при этом для уплотнений с разной геометрией канавок получаются разные зазоры – для уплотнения со спиральными канавками 3.15 мкм, для уплотнения с Д-образными канавками 2.75 мкм, а для уплотнения с трапециевидными канавками 2.9 мкм. Отсюда видно, что уплотнение со спиральными канавками обладает большей распорной силой. Полученные расходы для этих уплотнений соответственно равны 49, 38 и 44 л/мин.

Отметим, что деформированное состояние кольца приведено для закона распределения давления при плоскопараллельном течении газа в зазоре уплотнения. Величина раскрытия уплотнения при этом достигает 7 мкм. Максимальная интенсивность напряжений в кольце составляет величину 40 МПа, что требует обратить внимание ре материала для уплотнения.

Таким образом, показано, что использование уточненной методики расчета уплотнений при проектировании “сухих” уплотнений дает возможность оценить влияние геометрии канавок на их рабочие характеристики и подобрать наиболее оптимальный вариант канавок, что в конечном итоге приводит к значительному сокращению экспериментально-доводочных работ.

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