2020-10-12

螺旋密封的間隙內(nèi)充滿(mǎn)粘性液體。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋側(cè)壁對(duì)粘性流體施加推進(jìn)力，進(jìn)行能量交換，使軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能變換成粘性流體的壓力能，獲得一個(gè)泵送壓頭。這就是螺旋密封的所謂“泵送效應(yīng)”。粘性流體的泵送壓頭與介質(zhì)壓力相平衡，阻止介質(zhì)漏泄，建立密封狀態(tài) 。

螺旋密封是非接觸型流體動(dòng)力密封，具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小、耐雜質(zhì)、無(wú)需冷卻、適用轉(zhuǎn)速范圍寬等很多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于多種工業(yè)場(chǎng)合。螺旋密封的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)理卻很復(fù)雜。對(duì)于螺旋密封的失效機(jī)理、“氣吞”效應(yīng)機(jī)理迄今仍不是十分清楚，還沒(méi)有準(zhǔn)確有效的控制方法。在實(shí)際的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者結(jié)合使用要求和螺旋密封的特點(diǎn)，采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)揮螺旋密封的作用。本文通過(guò)某型給水泵的失效螺旋密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，較好地實(shí)現(xiàn)了高速情況下的螺旋密封的功能，為同行們提供了一個(gè)案例，為螺旋密封進(jìn)一步研究提供了參考資料。

2 問(wèn)題的提出

某型給水泵應(yīng)用于環(huán)境很緊湊的場(chǎng)合，要求給水泵的體積小、重量輕、揚(yáng)程高。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，給水泵采用了較高的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)到了n=9680 r／min。按照水泵的相似換算理論，在同樣級(jí)數(shù)的情況下，轉(zhuǎn)速提高一倍，尺寸將可減小50％ 。如此高轉(zhuǎn)速，意味著較細(xì)的軸和較低的轉(zhuǎn)子剛度。為了提高轉(zhuǎn)子的剛度，實(shí)現(xiàn)給水泵的可靠運(yùn)行。在給水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大幅縮短了轉(zhuǎn)子的軸向尺寸，以至于給水泵的上軸承的油封結(jié)構(gòu)非常緊湊(如圖1)。

給水泵為立式結(jié)構(gòu)，采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。水泵處的回油包含了汽輪機(jī)下軸承潤(rùn)滑油、鼓形齒聯(lián)軸器噴油潤(rùn)滑油和給水泵的上軸承潤(rùn)滑油。油封采用了螺桿式螺旋密封的結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，采用了單頭小螺距的形式。

在給水泵的測(cè)試過(guò)程中，給水泵的轉(zhuǎn)速至6500～7 000 r／min，“封油襯套”下端平面處出現(xiàn)成串油珠緩慢隨軸旋轉(zhuǎn)，并滴狀泄漏(漏油位置見(jiàn)圖1)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，串狀油珠隨軸的旋轉(zhuǎn)速度加快，泄漏量增加，至最高轉(zhuǎn)速n=9 680 r／rain時(shí)，約3—4 s一滴。轉(zhuǎn)速降低后，泄漏停止；轉(zhuǎn)速提高至一定值后，泄漏出現(xiàn)。

3 原因分析

根據(jù)德國(guó)學(xué)者布恩太爾提出的螺旋密封計(jì)算公式：

從公式中可以看出，在螺旋結(jié)構(gòu)確定的情況下，其封液能力與轉(zhuǎn)速成正比，即轉(zhuǎn)速越高封液能力越高。如果不是螺旋密封失效，在轉(zhuǎn)速提高的情況下不會(huì)出現(xiàn)泄漏。螺旋密封的層流或紊流工況用它的周向雷諾數(shù) 判斷， 由下式確定：

當(dāng)Re Re 時(shí)為紊流。如果封液處于紊流狀態(tài)，封液受到螺旋密封的螺桿的劇烈攪拌，容易引起“吸氣”現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)氣液“乳化”現(xiàn)象而使密封失效 J，出現(xiàn)不連續(xù)的泄漏。從給水泵的螺旋密封失效現(xiàn)象上看與所謂的“氣吞”現(xiàn)象比較相符。按照結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，轉(zhuǎn)速按n=9680r／min計(jì)算，Re =110．3，Re =797．5，Re

當(dāng)凡=9680r／min時(shí)，Re =1213．4>Re =797．5；當(dāng)n=6500r／min時(shí)，Re =814．8>Re 。即當(dāng)給水泵轉(zhuǎn)速超過(guò)6500r／min左右時(shí)，螺旋密封進(jìn)入了紊流工況，出現(xiàn)了失效泄漏，與實(shí)際具有一定的吻合度。因此，筆者建議同行進(jìn)一步驗(yàn)證，將m 公式(1)改進(jìn)成公式(3)。通過(guò)雷諾數(shù)的計(jì)算公式的改進(jìn)，說(shuō)明了給水泵的螺旋密封確實(shí)為“氣吞”現(xiàn)象造成的失效。

4 改進(jìn)措施

盡管“氣吞”效應(yīng)的機(jī)理不是十分清楚，但是通過(guò)實(shí)踐，技術(shù)人員總結(jié)了克服“氣吞”的幾種有效措施：

(1)螺套式螺旋密封可以獲得與螺桿式螺旋

密封相同的封液能力，還可以減少“吸氣”現(xiàn)象和

提高“密封破壞”的速度 ；

(2)降低密封段長(zhǎng)度；

(3)增大密封間隙；

(4)增加螺紋頭數(shù)，能顯著地提高密封失效

的速度¨ 。

螺旋密封的螺旋槽全部開(kāi)在靜止件上，稱(chēng)之為“螺套式螺旋密封”。螺套式螺旋密封結(jié)構(gòu)中，軸在靜止的螺套中以圓周速度 旋轉(zhuǎn)時(shí)，其間的粘性流體相對(duì)于轉(zhuǎn)軸近似以 ．=1／2V的速度旋轉(zhuǎn)【3 J，速度明顯低于螺桿式密封結(jié)構(gòu)。從雷諾數(shù)的計(jì)算上就可說(shuō)明，螺套式結(jié)構(gòu)有利于克服“氣吞”現(xiàn)象。改進(jìn)后的螺旋密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

螺旋密封分為兩段，全部開(kāi)在封油襯套靜止件上，以封油襯套的結(jié)構(gòu)區(qū)分，上段為外螺旋，下段為內(nèi)螺旋，稱(chēng)之為“組合式螺旋密封”。螺旋密封的參數(shù)如下：內(nèi)外螺旋槽深口=1．5mm、內(nèi)外螺旋齒頂間隙h=0．35～0．40mm、螺旋頭數(shù)i=4、外螺旋段長(zhǎng)度L，=18mm、內(nèi)螺旋段長(zhǎng)度L =27mm、外螺旋直徑d=90．5mm、內(nèi)螺旋直徑d=81．5mm、外螺旋齒寬C=2．5mm、內(nèi)螺旋齒寬c=3mm。對(duì)比原給水泵的螺旋密封，組合式的結(jié)構(gòu)有效降低了單個(gè)螺旋密封的密封長(zhǎng)度。由于組合式結(jié)構(gòu)具有兩段密封，充分有效地利用了給水泵的緊湊結(jié)構(gòu)，使得實(shí)際密封工作長(zhǎng)度有所提高。上段的螺旋密封將泵送的封液體向下輸送，浸潤(rùn)在封液中螺旋密封，直觀(guān)上理解，有利于螺旋密封的有效工作。下段的螺旋密封將泵送的封液向上輸送，與上段螺旋密封成串聯(lián)工作狀態(tài)。下段螺旋密封無(wú)封液可泵送時(shí)，可輸送一定壓力的空氣，輔助提供上段密封以正壓，有利于密封效果。如果有空氣逸出，則從排氣管中排放。

兩段螺旋密封均采用矩形槽，因?yàn)榫匦尾鄣穆菪芊獾姆庖耗芰κ荛g隙的影響較小。螺旋密封的間隙由原來(lái)的0．15—0．20 inln增大至0．35～0．40mm，提高螺旋密封的工作轉(zhuǎn)速的同時(shí)，也提高了螺旋密封的可靠度。螺紋頭數(shù)的增加應(yīng)結(jié)合螺旋槽的尺寸進(jìn)行計(jì)算，以整個(gè)螺旋密封封液能力最優(yōu)為優(yōu)化條件，保障了螺旋密封的效果。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

螺旋密封改進(jìn)后的給水泵安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)。針對(duì)組合式螺旋密封的效果，開(kāi)展了變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、油壓調(diào)節(jié)試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)是將給水泵從低轉(zhuǎn)速一高轉(zhuǎn)速一低轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行多次輪回。油壓調(diào)節(jié)試驗(yàn)是在油壓許可的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)給水泵機(jī)組的潤(rùn)滑油壓力從低壓一高壓一低壓，并進(jìn)行多次反復(fù)調(diào)節(jié)。油壓調(diào)節(jié)后，影響到汽輪機(jī)下軸承潤(rùn)滑油量、給水泵上軸承潤(rùn)滑油量以及聯(lián)軸器噴油潤(rùn)滑油量，即影響到組合式螺旋密封的工作狀況。油壓調(diào)節(jié)試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步結(jié)合變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證螺旋密封的可靠性和適應(yīng)性。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)是在給水泵規(guī)定的5個(gè)工況(不同的轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程等)，開(kāi)展4h或者8h運(yùn)行試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)(包含了螺旋密封的泄漏情況)，考核組合式螺旋密封的一定的耐久性。臺(tái)架試驗(yàn)表明，給水泵的組合式螺旋密封效果良好，未出現(xiàn)泄漏。

該型給水泵機(jī)組多臺(tái)已交付用戶(hù)使用，經(jīng)歷了船上的傾斜、搖擺和多工況運(yùn)行，歷時(shí)8年，運(yùn)行狀況良好，無(wú)任何泄漏。

試驗(yàn)及使用表明，給水泵改進(jìn)的組合式螺旋密封效果較好。

6 結(jié)語(yǔ)

受到結(jié)構(gòu)的限制，某型給水泵的螺旋密封結(jié)構(gòu)非常緊湊，按照常規(guī)設(shè)計(jì)的螺旋密封出現(xiàn)了“氣吞”現(xiàn)象，導(dǎo)致螺旋密封失效。將原螺旋密封改進(jìn)為組合式螺旋密封的結(jié)構(gòu)后，降低單個(gè)密封段長(zhǎng)度、增大密封間隙、增加螺紋頭數(shù)，顯著地提高了密封失效的速度。試驗(yàn)和應(yīng)用表明，組合式螺旋密封因地制宜地利用緊湊的結(jié)構(gòu)，收到了較好改進(jìn)效果。文中提出的雷諾數(shù)的計(jì)算公式和組合式螺旋密封結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)者提供了有益的借鑒，為同行們研究“氣吞”效應(yīng)提供了典型案例。

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