BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés
Tengelytömítések 1. Tömszelence Normális üzemi tartománya: Nyomáskülönbség a folyadéktér és a légkör között Δp ≤ 25 bar Relatív sebesség a tömítés és a tengely között w ≤ 18 m/s Nyomáskülönbség hűtés esetén Δp ≤ 30 bar Relatív sebesség hűtés esetén w ≤ 25 m/s csavar ház
fedél
alapgyűrű d1
d2
s
tengely
tömítés l
f
n
m
1. ábra Tömszelence felépítése Az f, m, n méret legyen elegendően nagy, hogy a fedél befeszülését elkerüljük, a fedél kellő beszorítását lehetővé tegyük és a szerelhetőséget biztosítsuk. A tömítés s vastagsága a tengely d1 átmérőjének függvénye: d 1 ≤ s ≤ 2 d 1 . A tömítés l hossza is a d1 tengelyátmérő függvénye: 2 d 1 ≤ l ≤ 2 , 5 d 1 , illetve az s mérettel kifejezve 6s ≤ l ≤ 8s. A fedelet beszorító erő a folyadéktér pf és légtér pl nyomáskülönbségének és a tömített π 2 körgyűrű felületnek a szorzatával arányos: F B = K f p f − p l ( d 2 − d 12 ). Itt a Kf tényező 4 1,2 és 2 közötti értéket vesz fel. Az alapgyűrű és a fedél homlokfelületei síkok, nem kúposak! A behelyezett tömítés a fedél beszorításának hatására eredeti hosszának 85%-ára nyomódik össze, ha például a felületi nyomás 50bar. A tömítő zsinórok meneteiben az l hossz mentén a
(
szorító nyomás változik: p x = p B e
−2 µ
K q ⋅x s
, itt p B =
)
4 FB π ( d 22 − d 12
)
a fedél oldali szorító
nyomás, µ ≈ 0 , 09 súrlódási tényező, K q ≈ 0 , 78 . A rés térfogatáram a folyadéktér és külső levegő pf – pl nyomáskülönbségének valamint a tengely kerületi sebességének a függvénye, csak tapasztalati úton határozható meg.
2015. 09. 29. 1
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés 2. Axiális csúszógyűrűs tömítések Ilyen tömítéseket alkalmaznak 5mm – 500mm 0,001Pa – 500bar -200ºC – +450ºC
tengelyátmérő nyomás hőmérséklet tartományban.
A szokásos elrendezések az alábbi ábrán láthatók. A folyadék oldal balra, a levegő oldal jobbra van az ábrákon Belső elrendezésű csúszógyűrűs tömítések
Álló csúszógyűrű a folyadék a tömítő résen kifelé áramlik
Forgó csúszógyűrű a folyadék a tömítő résen befelé áramlik
Külső elrendezésű csúszógyűrűs tömítések
Álló csúszógyűrű a folyadék a tömítő résen befelé áramlik
Forgó csúszógyűrű a folyadék a tömítő résen kifelé áramlik
Csúszógyűrű, nyomórugó, O-gyűrűk 2. ábra Axiális csúszógyűrűs tömítések típusai (E. Mayer: Axiális csúszógyűrűs tömítések, Műszaki Könyvkiadó, Bp. 1980 alapján) Írjuk fel a csúszógyűrűre ható erők egyensúlyát. Az Frug rugóerő és az Fh hidraulikai erő egy irányba hat. Ellenkező irányú a résben létrejövő nyomáseloszlásból adódó Frés erő, végül 2015. 09. 29. 2
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés bizonytalan irányú az Fs súrlódási erő, ami az O-gyűrűn ébred. Ezek előjeles összege a csúszógyűrűre ható FR eredő erő: FR = Frug + Fh - Frés ± Fs .A biztos zárás feltétele, hogy ez az eredő erő záró irányba mutasson.
ház
csúszógyűrű
folyadék Fh Frug
Frés
légkör
tengely
dk
db
Fs dh2
dh1
ω
3. ábra Csúszógyűrűre ható erők, jellemző geometriai méretek A támasztó gyűrűt és a csúszógyűrűt széttolva ábrázoltuk Az Fh hidraulikai erő gépbeli folyadék légkörhöz viszonyított túlnyomásának és a dh1, dh2 átmérőkkel jellemzett gyűrűkeresztmetszetnek a szorzata: ( d h21 − d h2 2 )π Fh = p foly − p lég . 4 A képletbeli átmérők a csúszógyűrű kiegyenlítetlen felületeit határolják, nagyságuk a konstrukciótól függ. Az Frés erő a résben sugár irányban változó prés nyomáseloszlás integrálja. A 3. ábra szerinti kialakítás esetén a folyadékfilm a résen kívülről befelé áramlik és a tapadás miatt a csúszógyűrűvel együtt forog is. Az FR eredő erőt a csúszógyűrű homlokfelületével 4 FR elosztva egy jellemző pátl átlagnyomást definiálhatunk: p átl = . ( d k2 − d b2 )π A kívánatos nyomástartományban mind p foly ≤ p átl , mind p rés ≤ p átl teljesül, ilyenkor vegyes súrlódási állapot van a résben, mind folyadék, mind szilárd súrlódás, a tömítettség jó.
(
A forgó alkatrészre ható nyomaték M = π
d k2 − d b2
)
p átl ⋅ µ ⋅
dk +db
, ahol a µ súrlódási 4 2 tényező függ a felületek átlagos sebességkülönbségétől és a pátl átlagnyomástól, tipikus értéke a 0,04 – 0,1 tartományba esik. A csúszógyűrűs tömítés résveszteségét az irodalom alapján lehet becsülni. (Ld. Ehrhard Meyer: Axiális csúszógyűrűs tömítések, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980, 47-50 képlet). Kis tengelyméret esetén igényes kialakítással a résveszteség akár 10cm3/óra értékre is szorítható. Ez olyan kis mennyiség, ami nem észlelhető, mert a résből kilépő folyadék folyamatosan elpárolog. A csúszógyűrűk kopása csekély, műanyag-fém felület pár esetén 0,002 µm 1 km relatív elmozdulás esetén. További tipikus anyag párok: műszén-fém, műszén-fémoxid. A tóloldali fényképen egy négyfokozatú centrifugálszivattyú metszett képe látható, mellette egy csúszógyűrűs tömítés szétnyitott gyűrű párral. A motor a szivattyú tengelyét az utolsó
2015. 09. 29. 3
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés fokozat utáni nyomótéren keresztül hajtja. Itt helyezkedik el a folyadékkal telt nyomótér és a külső légkör között a csúszógyűrűs tömítés.
2015. 09. 29. 4
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés
O-gyűrű csúszógyűrű ellengyűrű nyomórugú tengely légtér folyadéktér 4. ábra Csúszógyűrűs tömítés többfokozatú szivattyúban, illetve kiszerelt állapotban
2015. 09. 29. 5
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés 3. Radiális tengelytömítések Ezt a tömítéstípust szimering néven ismerik, egy fém merevítő gyűrűre ragasztott profilos kaucsuk gyűrűből áll, amelyet rugó szorít a tömítendő tengelyhez.
5. ábra radiális tömítőgyűrű – szimering és szerkezete az ISO 6194 szerinti alkatrész megnevezésekkel Ilyen tömítéseket alkalmaznak 10mm – 500mm tengelyátmérő < 0,5bar nyomás -50ºC – +150ºC hőmérséklet < 15000 /min fordulatszám 1m/s – 50m/s kerületi sebesség tartományban. A tengely azon szakaszának, ahol a szimering gyűrűvel érintkezik simának kell lennie, az érdesség legyen1-4 µm között. A tömítendő folyadék lehet motorolaj, fékolaj, fűtőolaj, víz, olajok vizes emulziója, lúg, stb. A rugalmas kaucsuk gyűrű adalékanyagait az üzemi igényeknek (hőmérséklet, folyadék anyaga) megfelelően kell megválasztani. A radiális gyűrű és a tengely középvonalainak egymáshoz képesti excentricitásának a tengelyátmérő néhány ezreléke alatt kell maradnia. A tömítőgyűrűt tartalmazó fészek méreteire tett geometriai előírásokat az alábbi táblázat és a 6. ábra és tartalmazza. Gyűrű szélesség b 7 8 10 12 15
t1min
tmin
~ 0,85b
~ 0,3 + b
6,00 6,80 8,50 10,30 12,75
7,30 8,30 10,30 12,30 15,30
2015. 09. 29. 6
Rmax 0,5 0,7
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés 20
17,00
17,30
6. ábra A radiális tömítőgyűrű fészek méretei 4. Tömítő rések A résekben lamináris vagy turbulens áramlás alakul ki axiális vagy radiális irányban. Axiális irányú átáramlás esetén a rést határoló falak lehetnek simák, illetve labirint tömítések esetén az egyik határoló fal (a belső vagy a külső) bordázott. Ilyen esetben a ház furatában a tengely/tárcsa axiális irányban elmozdulhat. Ha mindkét határoló felület bordázott, akkor axiális elmozdulás ellen biztosítani kell a tengelyt. Összenyomhatatlan, µ dinamikai viszkozitású folyadék sima hengeres felületek közötti s szélességű, l hosszúságú, dk középátmérőjű résen való lamináris áramlása esetén a rés Q térfogatárama ( p 1 − p 2 )s 3 π ⋅ d k . Q= 12 µl A rés előtt p1, utána p2 nyomás uralkodik. Ha a résbe történő belépés és az onnan való kilépés veszteségeit is figyelembe vesszük, akkor ( p1 − p 2 ) , Q = d k ⋅π ⋅s ⎛ l ⎞ ρ ⎜ λ + 1, 5 ⎟ ⎝ 2 s ⎠ 96 itt ρ a folyadék sűrűsége. Szűk rések esetén jó közelítéssel λ = , ahol a Reynolds szám Re 2Q ⋅ ρ . A lamináris áramlás feltételezhető, ha a Reynolds szám nem lépi túl a 2300Re = d k ⋅π ⋅ µ 4000 értéket. E felett turbulens áramlás feltételezésével élünk. Sima cső esetén ilyenkor a rés térfogatáram 0 , 427 képletébe λ = értéket kell helyettesíteni. 1
Re 4 2015. 09. 29. 7
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés
1
Érdes határoló falak esetén λ =
2
, itt k jelöli az átlagos érdességet.
k ⎞ ⎛ ⎜ 1 − 2 lg ⎟ 2 s ⎠ ⎝ Az irodalomban bonyolultabb empirikus állandókat tartalmazó összefüggések is találhatók. Összenyomható gázok esetén a gázdinamikai összefüggéseket kell használni, a nyomásesés a résben nem lineáris, a sűrűség ennek és az állapotváltozásra tett feltételnek megfelelően csökken és emiatt a sebesség az állandó keresztmetszetű résben nemlineárisan nő. Excentrikus falú réseken a rés térfogatárama nagyobb, mint koncentrikus falú résben. Az e/s 2 Q exc ⎛ s ⎞ relatív excentricitás függvényében lamináris esetben = 1 + 1, 6 ⎜ ⎟ , míg turbulens Q lam ⎝ e ⎠
Q exc
2
⎛ s ⎞ = 1 + 0 , 2 ⎜ ⎟ . Q turb ⎝ e ⎠ A rés térfogatáramának és az általa okozott, illetve az őt előidéző nyomásesésnek a szorzataként számítható az axiális rés térfogatárama miatti teljesítmény veszteség. A fent bemutatott egyszerű modellek nem tartalmaznak olyan áramlástani finomságokat, mint például a kialakuló Taylor örvények hatását, ami álló házban forgó tengely menti hosszú rések esetén jellemző. esetben
Radiális irányú átáramlás esetén álló falú keskeny résekben lamináris áramlás alakul ki. A korábbi jelöléseket megtartva most a rés sugár irányú méretét, a d1 belső és d2 külső átmérő különbségének felét b-vel jelöljük, e két átmérő számtani közepe a dk középátmérő. Ha az egyik határoló fal forog – szivattyúkban ez a tipikus eset – akkor s3 [0 , 0375 ρω 2 ( d 22 − d 12 ) + ( p 1 − p 2 )] Q= ⎛ d 2 ⎞ ⎟⎟ 6 µ ln ⎜⎜ ⎝ d 1 ⎠ A szögletes zárójel első tagjában felismerhető a forgó folyadékban kialakuló centrifugális erőtér nyomáskülönbség növelő hatása. Összenyomható gázok radiális résekben létrejövő áramlásának becslése az irodalom alapján lehetséges, a képletekben felismerhető az ilyen esetekre jellemző p 12 − p 22 nemlineáris nyomásesés.
2015. 09. 29. 8
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék www.hds.bme.hu Áramlástechnikai tervezés Labirint tömítések Ezek rés térfogatárama összenyomhatatlan folyadék esetén Q = µ ⋅ A rés ⋅
2 ( p1 − p 2
)
, itt a µ ρ átömlési tényező a labirint tömítés kialakításától függ (ld. a 7. ábrán), A rés = d k π ⋅ s , a méretek ugyancsak a 7. ábrán láthatóak, p1 a tömítés előtti, p2 a tömítés utáni nyomás. ! = ΦArés p 1 ρ1 , a Ф tényezőt A rés tömegárama összenyomható közeg esetén m diagrammokból határozhatjuk meg a p2/p1 < 1 nyomásviszony és a labirint lemezeinek z száma függvényében. A képletben p1 a labirinttömítés előtti nyomás és ρ1 az ottani közegsűrűség.
7. ábra Labirint tömítések átfolyási tényezője (W. Bohl: Strömungsmaschinen 2 nyomán)
2015. 09. 29. 9
