УПЛОТНЕНИЯ

Для достижения максимальных к. п. д. и удельных параметров двигателя Стирлинга необходимо в его замкнутом рабочем пространстве поддерживать высокое среднее давление рабочего тела (100—250 кгс/см2). Если к этому еще добавить, что в ка­честве рабочего тела в двигателе Стирлинга наиболее широко применяются водород и гелий — газы, имеющие незначитель­ную вязкость, то станет ясной та огромная роль, которую играют уплотнения в обеспечении работоспособности двигателя. Для того чтобы выяснить функции уплотнений в двигателе Стирлинга, рассмотрим одноцилиндровую конструкцию двига­теля вытеснительного типа с ромбическим механизмом ■(рис. 52). Используемые в этом случае уплотнения в том или ином виде применяются и в других конструктивных схемах двигателя Стирлинга.

Уплотнение 8 вытеснительного поршня препятствует перете­канию газа из горячей полости в холодную. Разеость давлений в данных полостях небольшая и определяется гидравлическим сопротивлением тракта нагреватель—регенератор — охлади­тель. Если работа уплотнения 8 сопровождается увеличением количества рабочего тела, перетекающего из горячей полости в холодную, то повышается нижняя температура цикла и, как следствие, уменьшаются к. п. д. и удельные параметры двига­теля.

Уплотнение 7 рабочего поршия слу­Жит для предотвращения Утечки газа Из рабочего пространства 1, Перепад Дав­Лений в этом Случае Определяется Разни­Цей средних Давлений В рабочей и бу­Ферной 6 Полостях. Утечка газа из рабо­Чего Пространства Ведет к уменьшению Массы Рабочего Тела, участвующего в Цикле, А Следовательно, К снижению мощности и Удельных Показателей

Рис* 52, Схема расположе­ния уплотнений в двигателе Стирлинга вытеснительного типа

подпись: 
рис* 52, схема расположения уплотнений в двигателе стирлинга вытеснительного типа
Двигателя.

Верхнее 2 И нижнее 3 , уплотнения штока вытеснительного поршня препятст­вуют утечке рабочего тела из рабочего пространства в картер 4 и попаданию смазочного масла из последнего в рабочее пространство. Перепад давлений в по­лостях, разделяемых этими уплотне­ниями, равен разности среднего давле­ния в рабочем пространстве и атмос­ферного давления в картере. Влияние утечки рабочего тела через эти уплотне­ния на показатели двигателя аналогич­но влиянию утечки через уплотнение 7 рабочего поршня.

Уплотнение 5 штока рабочего поршня предотвращает утеч­ку рабочего тела из буферной полости в картер и от попадания смазочного масла в эту полость. Перепад давлений, при ко­тором работает это уплотнение, равен разности между средним давлением в буферной нолости н атмосферным давлением в картере. Утечка рабочего тела из буферной полости ведет, с одной стороны, к возрастанию одностороннего силового воздей­ствия на кривошипно-шатунный механизм, если буферная по­лость не связана с рабочим пространством, а с другой — К Уменьшению массы рабочего тела, участвующего в рабочем цикле, если буферная полость соединена с рабочим простран­ством и, как следствие, к снижению мощности и 1 удельных показателей двигателя.

Попадание смазочного материала в рабочее пространство двигателя нежелательно по двум причинам.

Во-первых, любая жидкая смазка, попав в рабочее ‘Прост­ранство, проникает в теплообменники. Жидкая пленка смазоч­ного масла, попавшая на поверхность охладителя, отрицательно влияет на его эффективность. В нагревателе и в верхней части регенератора, работающих при температуре 550—700° С, в ре­зультате коксования масла понижается коэффициент теплоот­дачи и возрастает сопротивление движению рабочего тела, что
увеличивает гидравлическое сопротивление тракта нагрева­тель — регенератор — охладитель.

Во-вторых, масло, попав в нагреватель и регенератор, ■испа­ряется, что вызывает изменение свойств рабочего тела. Изме­нение теплофшических характеристик (теплоемкости, вязко­сти и т. д.) рабочего тела приводит к увеличению потерь на трение при перетекании рабочего тела через теплообменники и к ухудшению характеристик теплопередачи.

Совместное влияние двух этих факторов уменьшает полез­ную мощность и к. — п. д. двигателя. Поэтому ;в двигателях Стир­линга целесообразно применение несмазываемых уплотнений поршней и штоков, причем надежное уплотнение должно дости­гаться при минимальных затратах мощности на преодоление трения.

Поршневые уплотнения. В двигателях Стирлинга можно ис­пользовать поршневые уплотнения Двух Типов.

Достижение с ‘помощью ромбического привода практически прямолинейного движения рабочего и вытеснительного порш­ней позволяет применять для вытеснительного ‘поршня лаби­ринтное уплотнение с малым зазором между гильзой н порш­нем. С увеличением числа лабиринтов на боковой поверхности этого поршня уменьшается перетекание рабочего тела из горя — чей полости в холодную и наоборот. При покрытии боково*. поверхности поршня мягким металлом или сплавами (алюми­ний, олово и т. д.) понижается температура и перепад давле­ний рабочего тела в последующих лабиринтах, вследствие этого создается достаточно хорошее уплотнение поршней в гильзе. Образующаяся вдоль боковой поверхности поршня газовая по­душка ;П0Ч7И полностью исключает трение поршня о стенки гильзы цилиндра. Несмотря на то, что при такой конструкции уплотнения поршня практически отсутствуют потери на трение между поршнем и цилиндром, все же мощность и экономич­ность двигателя несколько снижаются из-за (перетекания ра­бочего тела через лабиринтные уплотнения в холодную по­лость.

При рассмотрении работы двигателя с лабиринтным уплот­нением поршней необходимо учитывать одно важное обстоя­тельство. Колебания давления в цилиндре вызывают деформа­цию его стенок, что изменяет зазор между поршнем и цилинд­ром, а это, в свою очередь, влияет на перетекание рабочего тела в двигателе, и, следовательно, на его параметры. Поэтому в случае применения конструкций лабиринтных уплотнений с покрытием из мягкого металла цилиндр необходимо делать толстостенным для уменьшения деформации его стенок. Тем­пература стенок цилиндра и поршня должна изменяться в узких пределах и на всем протяжении зоны трения температур­ные градиенты в стенке цилиндра должны быть достаточно малыми.

В двигателях Стирлинга можно также применять обычные поршневые уплотнения с разрезным упругим кольцом. В этом случае кольцевые канавки нарезаются на боковой поверхности рабочего яоршня или на нижней [направляющей части (вытес­нительного поршня. В канавки вставляются комбинированные поршневые кольца, представляющие собой обычные чугунные или стальные разрезные поршневые Кольца С наклеенным или завал ьцованным снаружи тонким слоем фторопласта или по­добного ему материала.

Применение Несмазываемых Фторопластовых Уплотнений или Уплотнений Из композиций Фторопласта со Стекловолок­ном, капроном и т. д. возможно Вследствие того, что Темпера­тура металла в зоне работы Поршневых уплотнений Не превы­шает 80—120° С. Для получения Таких температур в Указанной зоне необходимо при Проектировании цилиндра и вы те Он И тель­Ного поршня предусмотреть Создание в этих деталях Тепловых барьеров на пути Теплового потока от горячей полости к Хо­лодной.

Фторопласт наиболее перспективный материал для уплотне­ний в двигателях Стирлинга, так как обладает высокой хими­ческой стойкостью, достаточной механической прочностью и хорошими антифрикционными свойствами. Диапазон рабочих температур для фторопласта составляет от —60 до 260° С, ко­эффициент сухого трения 0,02—0,08, а при хорошей смазке значительно ниже 0,02. Однако при применении фторопласта следует учитывать изменение его механических свойств при по­вышенной температуре, в том числе и текучести. Как показали длительные испытания, при полной нагрузке фторопластовые уплотнения в относительно холодной части двигателя имеют износ 20—60 мкм через 1000 ч работы [10]. Следовательно, при толщине фторопластового уплотнения 1 —1,5 мм срок службы поршневого кольца равен 10—12 тыс. ч.

Для уменьшения перетекания рабочего тела во внутреннем контуре необходимо, чтобы торцовые и радиальные зазоры кольца в поршневой канавке были минимальными. Опытным путем установлено, что поршневые кольца обеспечивают на­дежную плотность при торцовом и радиальном зазорах кольца в канавке, равных приблизительно 0,01—0,02 мм. Для умень­шения утечки через обычный косой замок кольца следует при­менять двух — илн трехзаходные замки. Так как при длительной работе уплотнительные кольца не только сами изнашиваются, но и ‘разбивают кольцевые канавки на поршне, то со временем количество перетекающего рабочего тела возрастает. К;роме того, частицы, образующиеся в результате изнашивания колец и поршней, оседают в регенераторе и ухудшают его гидравли­ческую и тепловую характеристики, что приводит к падению мощности н экономичности двигателя.

Анализ работы порш­невых уплотнений по­казывает, что лучшее газовое уплотнение мо­жет быть достигнуто с помощью контактные поршневых колец. Од­нако, как следует из рассмотрения рис. 53, при одних и тех же кон­структивных и рабочих параметрах более вы­сокие мощность и эф­фективный к. п. д. имеет двигатель с лабиринт — н ы м и уплотнениями, ч то является следствием не­больших потерь на тре­ние в этом случае. Это преимущество лабиринтного уплотнения уменьшается с увели­чением размеров цилиндра двигателя. Кроме того, лабариит — ное уплотнение эффективно только при малых отклонениях движения поршней от прямолинейного, что требует высокой точности изготовления деталей ромбического приводного, ме­ханизма. Это усложняет и удорожает производство.

7000 1500 2000 2500 п, о6/мин

подпись: 7000 1500 2000 2500 п,о6/мин

Рис. 53. Изменение эффективных мощности N И к. п. д Уе Двигатсля Стирлинга вытеснительно­го типа в зависимости от изменения частоты вра­щения П вала при уплотнениях различных типов вытеснительного и рабочего поршней:

——— лабиринтное уплотнение;————————- —

Контактное уплотнение

подпись: рис. 53. изменение эффективных мощности n и к. п. д уе двигатсля стирлинга вытеснительного типа в зависимости от изменения частоты вращения п вала при уплотнениях различных типов вытеснительного и рабочего поршней:
 лабиринтное уплотнение; —
контактное уплотнение

Е

подпись: еУплотнение штоков. Для уплотнения штоков привода рабочего и вытеснительного поршней применяются самоуплотняющиеся металлические сальники с уплотняющими коническими элемен­тами из баббита и бронзы. Шток, работающий в паре с сальни­ком, имеет переменные по длине погрешности геометрической

УПЛОТНЕНИЯ

Неосущест — при самой подгонке к штоку

подпись: неосущест- при самой подгонке к штокуФормы. Поэтому плот­ное касание уплотняю­щих элементов по всей длине штока при работе практически вимо. Даже тщательной сальников

Имеются радиальные за­зоры, а следователь­но, и утечки рабочего тела.

Надежное уплотнение штока может быть до­стигнуто только в том случае, если уплотняю­щие элементы будут ком-

Рнс. 54. Конструкция компенсирующего сальнико — ^

ПОГреШИОСТИ

Изготовления и монтажа штока и детален сальникового уп­лотнения.

Наиболее перспективным материалом для уплотняющих эле­ментов сальников, чаще всего работающих в режиме сухого треиия, является фтороплтт-4. Па рис. 54 приведена часть кон­струкции сальникового уплотнении штока 5 с уплотняющим эле­ментом 4 из фторопласт«-*1. Сальник состоит из нескольких на­ружных обойм 2, и которые помещены уплотняющие элементы 4. Распределительные кольца / изготовляют из чугуна или стали и устанавливают п наружную обойму 2 с посадкой Лц/Св. Они имеют радиальные н осевые канавки для подвода газа к уплот­няющим элементам. Зазор между запорными кольцами 3 и штоком 5

Б = (0,0005 — г- 0,001) <гшт,

Где о? шт — диаметр штока.

Сальник данного типа является компенсирующим и само­уплотняющимся, причем уплотняющие элементы сальника на­гружены неравномерно. Рабочее тело из уплотняемой полости, попав в первую рабочую камеру, обжимает уплотняющий эле­мент, который создает герметический затвор, препятствующий утечке газа через сальник штока. Уплотняющие элементы вслед­ствие своей эластичности и упругости компенсируют погрешно­сти изготовления штока (овальность, конусность и т. п.), плот­но охватывают его на всех участках хода и практически полно­стью предотвращают утечки газа. При многокамерном сальнике уплотнение штока осуществляется первым от полости уплотня­ющим элементом, воспринимающим полную нагрузку — давле­ние рабочего тела. Другие уплотняющие элементы посажены с предварительными радиальным и осевым натягами, вследствие чего плотно прилегают к штоку, и являются резервными. При пропуске рабочего тела первым уплотняющим элементом в ра­боту вступает следующий, который предотвращает утечку га­за через сальник, и т. д. Посредством такой системы достига­ется высокая надежность уплотнения и необходимая долговеч­ность сальников.

Начальная удельная нагрузка, которую оказывает фторопла­стовое уплотнение па шток, зависит не только от натяга, но и от радиальной толщины уплотняющего элемента. При выборе осевой толщины уплотняющего элемента следует учитывать, что с ее увеличением утечки рабочего тела уменьшаются, но возра­стает сила треиия.

На основании экспериментальных и теоретических исследо­ваний оптимальные размеры уплотняющих элементов для што­ков диаметром 8—250 мм и перепадов давлений до 600 кге/см2 могут определяться эмпирическим формулам (рис. 54):

Радиальная толщина уплотняющего элемента

Я, = (1,00 4-1,25)1/4^;

Осевая толщина уплотняющего элемента Я* — 25г;

Радиальный натяг уплотняющих элементов

5Г = (0,015 ч — 0,020) 4гат;

Осевой натяг уплотняющих элементов 6в = (1,0020 — 0,0025) ^

При монтаже сальников данного типа несоосность штоков с осью наружных камер не должна превышать 0,01 мм на 100 мм хода штока; уплотняющие торцовые поверхности на­ружной камеры, распределительного кольца и запорного кольца должны быть притерты друг к другу так, чтобы образовался замкнутый круговой поясок площадью не менее 50% площади соприкосновения.

Монтажные зазоры в сальниках рекомендуется принимать следующими: а = 0,5-^2,0 мм; & = Зн-10 мм (рис. 54). Число ка­навок на торцовых и цилиндрических поверхностях распреде­лительных колец может быть равно 6—24, радиус канавок г = 1,5-т~2,5 мм. При больших диаметрах и низких перепадах давлений принимают большие значения приведенных выше ве­личин.

Длительность приработки сальников с уплотняющими эле — ментами из фторопласта-4 составляет не менее 2 ч. Средняя долговечность сальников при правильно выбранных конструк­тивных и монтажных размерах, при тщательном выполнении требований к сборке составляет 3000 Ч. Если сальник состоит из нескольких уплотняющих элементов, то его долговечность увеличивается приблизительно пропорционально числу этих эле­ментов.

В зависимости от требуемой надежности и рабочего перепа­да давлений выбирают число уплотняющих элементов. При дав­лении до 300 кгс/см2 рекомендуются два-три элемента, а при давлении 300—600 кгс/см2 — три-пять элементов, В случае не­правильно выбранных размеров и натягов уплотняющих эле­ментов невозможно создать требуемую начальную удельную на­грузку на шток. В результате предварительного натяга повыша­ется надежность уплотняющих элементов при работе гс пульси­рующей нагрузкой.

Свертывающееся диафрагменное уплотнение. До самого по­следнего времени полностью герметичное уплотнение для што­ков и поршней, работающее при высоких давлениях и больших скоростях относительного перемещения и имеющее значитель­ный срок службы, казалось недостижимым. Однако изобрете­ние в 1961 Г. свертывающейся диафрагмы С Масляной опорой показало, что создание полностью герметичного уплотнения

1

 

Смотрим один из них, нашедший наиболее широкое примене­ние. Для обеспечения постоянной длины диафрагмы масляной амортизирующей камере 2 под диафрагмой придается такая форма, чтобы заключенный в ней объем масла оставался неиз­менным в течение всего цикла. Это достигается приданием што­ку и цилиндрической стенке амортизирующей масляной каме­ры ступенчатой форы, как показано на рис. 55. Площадь

Ступени на штоке (я/4) (^щ7 —должна быть равна площади ступени на стенке цилиндрической камеры (я/4) Йшт)-

Тогда

УПЛОТНЕНИЯ

Докажем, что замкнутый объем под диафрагмой остается по­стоянным. Допустим, что шток переместился вверх или вниз на какое-то расстояние Х. Если длина диафрагмы остается по­стоянной, то ее колено проходит половину этого расстояния, тогда как ступень на штоке, которая занимает половину пло­щади зазора между штоком и цилиндрической стенкой, про­ходит все расстояние Х.

Очевидно, что в этом случае общий замкнутый под диафраг­мой объем не изменится. Он заполняется теперь таким коли­чеством масла, которого достаточно для создания требуемого перепада давлений в полостях над и под диафрагмой. Под дей­ствием этого перепада давлений происходит правильное сверты­вание диафрагмы. Масляная опора нуждается в принятии осо­бых мер, чтобы уплотнение было работоспособным. Масло выте­кает 1тз амортизирующей камеры через масляное уплотнение, которое может быть одним из уплотнений типа «ограничиваю­щих утечку». Поэтому необходимо подавать масло в амортизи­рующую камеру 2 миниатюрным насосом высокого давления 3. Требуемое количество масла в камере 2 поддерживается с по­мощью регулирующего приспособления 6, вследствие этого со­храняется постоянной разность давлений между давлением мас­ла в амортизирующей камере под диафрагмой и средним дав­лением газа в рабочей полости над диафрагмой.

Регулирующее устройство может быть выполнено в виде клапана и установлено вне уплотнения (рис. 56).

Для подачи масла в амортизирующую полость может быть использовано простое масляное уплотнение «подкачивающего» типа, при котором нет необходимости в отдельном насосе высо­кого давления (рис. 57). Это уплотнение представляет собой втулку 4 с внутренней заливкой из баббита или другого мяг­кого антифрикционного сплава. Растачивание внутреннего от­верстия втулки производится с высокой точностью, чтобы воз­можный зазор между уплотнением и штоком 5 был наимень­шим, Втулка 4 устанавливается в узел, в котором достаточно
сильная корончатая пружина / нагружает один конец этой втул­ки. В результате несимметричного воздействия корончатой пру­жины внутренняя полость втулки приобретает форму конуса, большее основание которого направлено к полости картера 6.

В работе уплотнения можно различить два цикла. Первый — насосный ход, когда шток движется вверх через неподвижную втулку и тонкий слой масла, находящийся на штоке, создает гидравлический клин, давление масла В котором преодолевает силу нагружения корончатой пружины, и масло попадает во внутреннюю полость }2 узла уплотнения. Второй—обратный ход штока, при котором гидродинамического эффекта не возникает, и масло снимается со штока тем концом втулки, который на­гружен корончатой пружиной. Вследствие хорошей смазки та­кое «подкачивающее» уплотнение имеет большой срок службы и надежно работает при высоких давлениях. Внутренняя по­лость 2 уплотняется со стороны полости картера 6 кольцом 3 Из маслостойкой резины.

Уплотнение типа свертывающейся диафрагмы применяется и для поршней. В литературе приводится пример, когда долго­вечность поршневого уплотнения такого типа на одноцилиндро­вом двигателе Стирлинга мощностью 90 л. с. при я=1500 об/мин и среднем давлении рабочего тела 110 кгс/см2 при непрерывной работе с полной мощностью составила 3200 ч, что отнюдь не явля­ется пределом [40]. Вообще долговечность свертывающегося ди — афрагменного уплотнения в основном зависит от типа эласто — мерного материала, из которого изготовляется диафрагма. Так, например, применение полиуретановой резины позволило до­стигнуть непрерывной работы уплотнения при его температуре до 50° С в течение свыше 10 тыс. ч [40]. К недостаткам поли-

Рис. 56. Регулирующее устройство уплотнения со свер­тывающейся диафрагмой для поддержания заданной разности давлений:

УПЛОТНЕНИЯ

Рис. 57. Схема масляного уплотнения «подкачиваю­щего» типа

подпись: рис. 57. схема масляного уплотнения «подкачивающего» типа УПЛОТНЕНИЯ/— газовый клапан; 2— газовая полость; <5— упругая диафрагма; 4—масляная полость; 5 — клапан масля­ной полости

УПЛОТНЕНИЯ

Уретановой резины, как материала Для свертывающихся диафрагм, следует — отнести ее сильную чувствительность к рабо­чей температуре. При температуре 100° С долговечность диаф — рагменного уплотнения из полиуретановой резины менее 100 ч. Кроме того, полиуретановая резина весьма чувствительна к на­личию в масле даже следов влаги.

В настоящее время ведутся работы по выбору эластомерного материала для диафрагм, который надежно работал бы при высоких температурах (100—150° С) и давлениях и при ис­пользовании которого не надо было бы предъявлять слишком высоких требований к составу и чистоте амортизирующего мас­ла. Например, долговечность свертывающегося диафрагменно- го уплотнения из эластомерного материала вайтон при темпе­ратуре 100° С составляет 25 тыс. ч [40].

Трудности, связанные с обеспечением достаточной надежно­сти свертывающегося уплотнения, обусловили интенсивные ра­боты по созданию скользящих уплотнений. Имеются сведения, что в этом направлении достигнуты обнадеживающие резуль­таты.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *