给水泵螺旋密封的结构改进.pdf
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1、FLUI D MACHI NERY Vo 1 4 2, No 7, 2 01 4 文章编号 : 1 0 0 5 0 3 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 7一O O 4 O一 0 3 给水泵螺旋密封的结构改进 孙卫平, 马新勇 , 顾海飞。 李兵 ( 上海船舶设备研究所 上海 2 0 0 0 3 1 ) 摘要: 针对某型给水泵的螺旋密封失效问题 , 采取了组合式螺旋改进措施, 较好地解决了问题, 为克服“ 气吞” 现象提 供了典型案例。文中提出了雷诺数的计算公式, 为螺旋密封理论计算提供了参考。 关键词: 螺旋密封; 失效; 气吞 ; 组合式螺旋密封 中图分类号: T H1 3 6 文献标志
2、码: B d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 0 7 0 0 9 S t r u d u r e I mp r o v e me n t o f S p i r a l S e a l u s i n g i n Fe e n d W a t e r P u mp S UN W e i p i n g, MA Xi n y o n g, GU Ha l - f e i , LI Bi n g ( S h a n g h a i M a r i n e E q u i p m e n t R e s e a r d I n s t i t
3、a t e , S h a n g h a i 2 3 0 0 3 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : F o r f a i l u r e p r o b l e ms o f s p i r a l s e a l i n a c e r t a i n t y p e o f f e e d w a t e r p u mp , an i mp r o v e me n t me a s u r e s o f c o mb i n e d s p i r al s e al w a s b e t t e r u s e d t o s o l u t
4、e e t e d p r o b l e m, w h i c h p r o v i d e d a t y p i c a l c a s e o n o v e r c o mi n g t h e p h e n o me n o n o f g a s s w a l l o w i n g s u c h p a p e r p r e s e n t s t h e c a l c u l a t e d f o r mu l a o f R e y n o l d s n u mbe r , a l s o wh i c h p r o v i d e s a r f c r
5、 e n c e o f t h e o r e t i c al c a l c u l a t i o n s a b o u t s p i r al s e a1 Ke y wo r d: s p i r a l s e al; f a i l ; air s wall o w i n g ; c o mb i n e d s p i r al s e al 1 前言 螺旋密封的间隙内充满粘性液体 。当轴旋转 时 , 螺旋侧壁对粘性流体施加推进力 , 进行能量交 换 , 使轴的旋转动能变换成粘性流体的压力能 , 获 得一个泵送压头。这就是螺旋密封 的所谓“ 泵送 效应” 。粘性 流体
6、的泵送 压头 与介 质压力 相平 衡 , 阻止介质漏泄, 建立密封状态 j 。 螺旋密封是非接触型流体动力密封, 具有无 磨损、 寿命长、 功耗小、 耐杂质、 无需冷却、 适用转 速范围宽等很多优点, 被广泛地应用于多种工业 场合。螺旋密封的结构简单, 机理却很复杂。对 于螺旋密封的失效机理 、 “ 气吞 ” 效应机理迄今仍 不是十分清楚 , 还没有准确有效的控制方法 。在 实际的应用 中, 设计者结 合使用要求和螺旋密封 的特点, 采取合理的结构设计, 发挥螺旋密封的作 收稿 日期 : 2 0 1 31 1 2 9 用。本文通过某型给水泵的失效螺旋密封结构的 改进 , 较好地实现 了高速情况
7、下的螺旋 密封 的功 能 , 为同行们提供 了一个案例 , 为螺旋密封进一步 研究提供了参考资料。 2 问题的提 出 某型给水泵应用于环境很紧凑 的场 合, 要求 给水泵的体积小 、 重量轻 、 扬程高。为了实现设计 意图, 给水泵采用了较高的转速 , 设计转速达到了 n = 9 6 8 0 r m i n 。按照水泵的相似换算理论, 在同 样级数 的情况下 , 转速 提高一倍 , 尺 寸将可减小 5 0 。如此高转速 , 意味着较细 的轴和较低 的转 子刚度。为了提高转子的刚度 , 实现给水 泵的可 靠运行 。在给水泵的结构设计中大幅缩短了转子 的轴向尺寸 , 以至于给水泵 的上轴承的油封结
8、构 2 0 1 4年第 4 2卷第 7期 流体机械 4 1 非常紧凑( 如图1 ) 。 图 1 原给水泵 的油封结构不意 给水泵为立式结构, 采用汽轮机驱 动。水泵 处的回油包含了汽轮机下轴 承润滑油、 鼓形齿联 轴器喷油润滑油和给水泵的上轴承润滑油。油封 采用了螺杆式螺旋密封 的结构 , 为了适应高转速, 采用了单头小螺距的形式。 在给水泵的测试过程 中, 给水泵的转速至 6 5 0 0 7 0 0 0 r mi n , “ 封油衬套” 下端平 面处出现 成串油珠缓慢 随轴旋转 , 并滴状泄漏 ( 漏油位 置 见图 1 ) 。随着转速的提高 , 串状油珠随轴 的旋转 速度加快, 泄漏量增加,
9、 至最高转速 n= 9 6 8 0 r ra i n时, 约3 4 s 一滴。转速降低后, 泄漏停止; 转速提高至一定值后, 泄漏出现。 3原 因分析 根据德国学者布恩太尔提出的螺旋密封计算 公 式 : AP =I u o I dLC P , 式中 螺旋齿顶间隙, m 密封液体的动力粘度 , P a s 角速度 , r a d s d 螺旋直径 , m 被封液浸润了的螺旋段长度 , m C 压头系数 , 在层流 工况 下 , 其 值 只 与螺旋几何参数有关 从公式中可以看出, 在螺旋结构确定的情况 下, 其封液能力与转速成正比, 即转速越高封液能 力越高。如果不是螺旋密封失效, 在转速提高的
10、情况下不会出现泄漏。 螺旋密封的层流或紊流工况用它的周向雷诺 数 判断 , 由下式确定 : m。 : ( 1 ) l , 式 中 圆周线速度 , m s 螺旋齿顶间隙, m 运动粘度 , m s 周向雷诺数的临界值 用下式确定 : r 1 I N = 4 1 【 t j ( 2 ) 式中t 螺旋角正切函数, t = t g a 螺旋角 M 螺旋相对槽宽 , u=b s 6 螺旋槽宽 s 螺距 当 R e R e 时为紊 流。如果封液处于紊流状态 , 封液受 到螺旋密封 的螺杆的剧烈搅拌, 容易引起“ 吸气” 现象发生, 严重时出现气液“ 乳化” 现象而使密封失效 J , 出 现不连续的泄漏。从
11、给水泵的螺旋密封失效现象 上看与所谓 的“ 气吞” 现象 比较相符 。按照结构 尺寸计算 , 转速按 照 n=9 6 8 0 r m i n计算 , R e = 1 1 0 3 , R e =7 9 7 5 , R e R e = 7 9 7 5 ; 当 n=6 5 0 0 r m i n时 , R e =8 1 4 8R e 。 即当给水泵转速超过 6 5 0 0 r m i n 左右时, 螺旋密 封进入了紊流工况 , 出现 了失效泄漏 , 与实际具有 一 定的吻合度。因此 , 笔者建议同行进一步验证 , 将 m 公式 ( 1 ) 改进成 公式 ( 3 ) 。通过雷诺 数的 计算公式 的改进
12、 , 说 明了给水 泵的螺旋密封确实 为“ 气吞” 现象造成的失效 。 4改进措施 尽管“ 气吞” 效应的机理不是十分清楚 , 但是 通过实践 , 技术人员总结 了克服“ 气吞” 的几种有 效措施 : 4 2 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 2, No 7, 2 01 4 ( 1 ) 螺套式螺旋密封可以获得与螺杆式螺旋 密封相同的封液能力 , 还可 以减少“ 吸气” 现象和 提高“ 密封破坏” 的速度 ; ( 2 ) 降低密封段长度 ; ( 3 ) 增大密封间隙 ; ( 4 ) 增加螺 纹头数 , 能显著地 提高密封失效 的速度 。 螺旋密封的螺旋槽全部开在静止件上 , 称
13、之 为“ 螺套式螺旋密封” 。螺套式螺旋密封结构 中, 轴在静止的螺套 中以圆周速度 旋转时 , 其 间的 粘性流体相对于转轴近似以 =1 2 V的速度旋 转 【 3 J , 速度明显低于螺杆式密封结构。从 雷诺数 的计算上就可说 明, 螺套式结 构有利于克服 “ 气 吞” 现象。改进后 的螺旋密封结构如图2所示 。 回 图 2 改进后 的组 合式 螺旋密封 螺旋密封分为两段 , 全部开在封油衬套静 止 件上 , 以封油衬套 的结构区分 , 上段为外螺旋 , 下 段为 内螺旋 , 称之为“ 组合式螺旋密封 ” 。螺旋密 封的参数如下 : 内外螺旋槽深 口=1 5 mm、 内外螺 旋齿顶间隙 h
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