Pallo- ja läppäventtiilien kaasuvuodot

Abstract

Tässä työssä tarkastellaan kontaktitiivisteiden ja ns. koskemattomien tiivisteiden tiivistepintojen välissä tapahtuvia kaasuvirtauksia. Työ on pääasiassa kirjallisuusselvityksen pohjalta laadittu teoreettinen tarkastelu, mutta metallisten kontaktitiivisteiden osalta on yrityksen laboratoriokokeiden perusteella tehty muutamia venttiilejä koskevia päätelmiä. Jos tavallisen koskemattoman tiivisteen mitat ja muoto tunnetaan, voidaan virtausopin perusteella määrittää sen kaasuvuoto riittävällä tarkkuudella eri olosuhteissa. Jotta virtausoppiin perehtymätön myynti-insinöörikin voisi arvioida koskettamattoman tiivisteen vuotomääriä, on työssä johdettu venttiilin mitoitusyhtälöiden kanssa analoginen kaasuvuodon laskentamenettely. Termisissä turbokoneissa yleisesti käytettyä puolilabyrinttitiivistettä voisi helposti soveltaa myös venttiilirakenteissa. Sen toiminta perustuu peräkkäisten kuristusten välissä olevissa kammioissa tapahtuviin pyörteilystä johtuviin kitkahäviöihin, jotka lisäävät virtausvastausta. Pienillä painesuhteilla toimiva labyrinttitiiviste vuotaa n. 15 % vähemmän kuin saman kokoinen tavallinen koskettamaton tiiviste, ja kaksihampainen tiiviste on lähes yhtä tehokas tiiviste kuin nelihampainen. Tukehtuneen virtauksen painesuhdetta suuremmilla painesuhteilla puolilabyrinttitiiviste toimii tehokkaammin ja hammasluvun lisääminen parantaa tiiveyttä. Jos metallisten kontaktitiivisteiden pinnoissa ei esiinny suurehkoja pintavirheitä, on niiden välistä tapahtuva vuoto useimmiten laminaarista ja tärkein vuotomääriin vaikuttava aineominaisuus on viskositeetti. Jos vuotoreitin geometria säilyy muuttumattomana, voidaan yhdellä kaasulla suoritetun mittauksen perusteella melko tarkasti arvioida jonkin toisen kaasun vuotomäärä muuttuneissa olosuhteissa, mikäli virtaus säilyy laminaarina. Metallisten kontaktitiivisteiden väliin jäävä tila (vuotoreitti) riippuu monimutkaisella tavalla pintojen ominaisuuksista, kontaktipaineesta ja mahdollisista kemiallisista reaktioista vuotavan aineen kanssa. Pienikin muutos vuotoreitissä vaikuttaa huomattavasti virtausmääriin, sillä esimerkiksi kahden tason välissä tapahtuvan laminaarin virtauksen massavirta on verrannollinen raon kolmanteen potenssiin. /Kir10