新型矿用排水泵入口段口环密封结构优化研究.pdf
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1、2 0 1 5年 5月 第 4 0 卷 第 5 期 润滑与密封 L UBRI C AT 1 0N ENGI NEERI NG Ma v 2 01 5 Vo 1 4 0 No 5 DOI :1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 5 0 5 0 1 7 新型矿用排水泵入 口段 口环 密封结构优化研究 李 宝良唐学峰张婕 ( 大连 交通大学机械 工程学 院辽 宁大连 1 1 6 0 2 8 ) 摘要:以某型号矿用排水泵人 口段 口环密封为研究对象 ,采用数值仿真方法 ,研究排水泵迷宫密封 内部 流动特征 , 分析迷宫密封结构尺寸与形状对其泄漏量的影响
2、。结果表明:迷宫的间隙尺寸对密封性能的影响最大,间隙宽度和节流 齿宽度的变化将导致泄漏量的大幅变化;相比直齿结构迷宫密封,异形齿结构有利于湍流充分发展,从而可以提高密封 性能;通过分析复杂迷宫密封 的内部流场 ,得到适用于排水泵 的优化 的迷宫密封结构。 关键词 :迷宫密封 ;排水泵 ;湍动能 ;密封性能 中图分类号 :T H 3 1 1 ;T H 1 3 6 文献标志码 :A 文章编号 :0 2 5 4 0 1 5 0 ( 2 0 1 5 )5 - 0 8 4 5 Op t i mum De s i g n o f Ch o ma S e a l i ng S t r uc t ur e i
3、 n En t r a nc e S e c t i o n o f M i ne Dr a i n a g e Pu m p L i Ba o l i a n g Ta n g Xu e f en g Zh a n g J i e ( D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g , D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y , D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 8 , C h i n a ) Ab s t r a
4、c t : T a k i n g t h e c h o ma s e a l i n t h e e n t r a n c e s e c t i o n o f mi n e d r a i n a g e p u m p a s r e s e a r c h o b j e c t , t h e fl o w c h a r a c t e r i s - t i c s o f i n t e r n a l flo w fie l d o f l a b y rin t h s e al we r e a n a l y z e d b y n u me ric a l s
5、i mu l a t i o n me t ho d T h e e f f e c t s o f s t r u c t u r e s i z e s a n d s h a r p s o f l a b y r i n t h s e a l o n t h e l e a k a g e we r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e e f f e c t o f l a b y rin t h c l e a r a n c e s i z e o n s e a l i n g p e r f
6、o r ma n c e i s t h e l a r g e s t , t h e c h a n g e s o f c l e a r a n c e wi d t h a n d t h r o t t l i n g t o o t h wi d t h wi l l l e a d t o t h e l a r g e c h a n g e o f l e a k a g e Co mp a r e d wi t h t h e l a b y r i n t h s e a l o f s t r a i g h t t o o t h, t he l a b y rin
7、 t h s e a l o f s p e c i a l s h a p e d t o o t h c a n i mp r o v e t h e s e a l i n g p e rfo rm a n c e, f o r i t s s t r u c t u r e i s c o n d u c i v e t o t h e s u ffic i e n t d e v e l o p me n t o f t u r b u l e n c e T h e o p t i mu m s t ruc t u r e o f l a b y r i n t h s e a l
8、 f o r t h e d r a i n a g e p u mp wa s g o t b y s t u d y i n g t h e c o mp l e x i n t e r n al f l o w o f l a b y r i n t h s e a l s Ke y wo r d s : l a b y r i n t h s e al; d r a i n a g e p u mp; t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y; s e ali n g p e rfo rm a n c e 随着工业装备技术的飞速发展,对机械
9、设备精度 要求不断提高,其中密封结构是一项重要因素,尤其 是动密封结构直接影 响回转机械 的润滑 、泄漏问题 。 国外学者 R h o d e和 A l l e n _ I 在 研究航 天 主发动 机 时采用数值 方法详 细地探讨 了结构尺寸变化对不 同形 式迷宫密封性能的影响 ,研究表明:间隙宽度较小 时 ,节流效 应 对泄 漏量 的影 响 比较 大。E I G a m al 和 A w a d 2 研究了不 同结 构 的迷宫 密封 对不 可压 缩流 动 的节流效果并指出 :多种 结构 的密封性能都随空腔宽 高比的增加而有所提高,而比值的变化对不同结构的 迷宫密封性能 的影响存在差异。国内方
10、面,黄虎等 人_ 3 通过对压缩机中的迷宫密封进行模拟仿真 ,认为 迷宫 间隙和迷宫空腔宽度的变化 对泄漏量性能 的影响 存在差异 。林丽【 4 以压缩机中的直通 型迷宫密封 为研 基金项 目:辽宁省自然科学基金项 目 ( 2 0 0 8 2 1 5 0 ) 收稿日期:2 0 1 4 0 7 2 2 作者简介:李宝良 ( 1 9 6 4 一) ,工学博士,教授,主要从事机械 优化研究工作E - m a i l :l i b l d j t u e d u c n 究对象 ,利用正交试验设计方法耦合 多种迷 宫密封 的 结构参数综合分析了不同结构因素对泄漏量的影 响 。虽然国 内外对迷宫密封的研
11、究 比较多 ,但是针对 离心泵 口环处迷宫密封的研究 并不多。 本文作者 以某型号矿用离心泵入 口段 口环为研 究 对象 ,应用 P r o E软件构建入口段 口环处迷宫密封的 流场模型 ,根据模型特 点选定适 当的网格 单元类 型 , 在 H y p e r Me s h中对所建模型进行 网格单元划 分 ;对 迷 宫模 型选定湍流模 型和边界条件后 ,进行迷宫 内部流 场的数值模拟仿真 ;绘制不同结构的迷宫泄漏量变化 曲线图,分析相关性能云图,揭示 内部流场分布特 征 。对 比各 型式 的迷宫密封性能 最 终找到适用 于离 心泵 的迷宫密封结构 。 1 离心泵迷 宫密封 内部流场数值模拟 1
12、 1 入 口段 口环初步设计 根据资料分析 ,离心泵的入 口段 口环与泵的首 级叶轮配合处需要密封 ,因此将分析定位在人 口段口 环的迷宫密封结构尺寸上 。将入 口段口环的光滑内壁 面改为带节 流齿的迷宫密封结构 ,最终 简化迷 宫密封 润滑与密封 第 4 0卷 由压力能转化为动能的部分减少,直接导致能量交换 减少 ,泄漏量增大 。从 以上结论看 ,虽然减 小间隙宽 度可 以减少泄漏量 ,但在实际应用 中,由于安装 、运 行 中出现 的惯性力不平衡或受 限于密封件材料 的膨胀 性 能 ,过小 的间隙宽度不仅会使不该接触的部件发生 接 触和磨 损 ,还会失去密封效果 ;此外 ,间隙宽度的 设计
13、和选 取也要考虑到加工及装配 的精度 。因此后续 的研究工作将迷 宫的间隙取为 0 2 m m。 另外 ,取 空 腔 宽 度 为 3 7 m m,间 隙 宽 为 0 2 m m,齿高为 1 8 m m,计算 9种齿宽 ( 分别为 0 1 , 0 1 5 ,0 2,0 2 5,0 3 ,0 3 5,0 4,0 4 5 ,0 5 mm) 下泄漏量与齿宽的关 系 如图 7所示 。 f 邑 删 嘿 图 7 齿宽一 泄漏量关系图 F i g 7 To o t h wi d t h l e a k a g e g r a p h 图 7表明泄漏量 随着齿宽 的减小单调减少 ,这一 点 符 合 We h e
14、 a b a等 对 薄齿 迷 宫 密 封 的研 究 结 论 。 图中齿宽 大于 0 2 m m时泄 漏量变 化较缓慢 ,而小于 0 2 m m时泄漏量 迅速 减少 。在 实际应 用 中。齿 宽小 于0 2 IT I m的密封齿便于做成镶嵌式的密封片,只适 用于低压场合 ,否则即使 密封 齿没有 变形或折损 ,在 运行一段时间后齿尖的磨损量较大 ,而这种磨损对 密 封性能的影响很致命。因此对离心泵口环的迷宫密封 来说,过薄的节流齿在装配和运行时更容易出现问 题,密封齿宽度的选取不宜过小,本文作者选齿宽为 0 5 mmo 2 2齿尖部形状对泄漏量的影响 如 图 8所示 为 斜齿 尖示 意 图,从
15、5 0 。 到 7 0 。 取 5 组齿尖平面与竖直方 向不 同夹角 的仿真样本 ,针对 只 缩短背流面齿高的迷宫齿型对密封性能的影响进行 分 析 ,得到 了泄漏量与齿尖角度 的关系如 图 9所示 。 图 8 斜 齿尖示 意 图 Fi g 8 I l l u s t r a t i o n o f s k e t c h o f s l a n t t o o t h t i p 图 9 齿尖角度一 泄漏量关系图 Fi g 9 S l a n t t o o t h t i p l e a k a g e g r a p h 从 图 9可 明显看出 ,泄漏 量随着齿尖 角度 的减 小 单调减少
16、,且越来越平缓的曲线意味着泄漏量的下降 趋势变慢。一方面与矩型齿相比,完成节流这一动作 的齿尖越来越薄 ,根据齿宽对泄漏量的影 响可以判 断 出这是泄漏量减少 的一个原因 :另一 方面 ,变斜 的齿 尖 与齿型 向来流 方 向倾斜 的迷宫 背流 面有 相似 的作 用 ,不仅便于主涡流的形成 。更放大了射 流的不稳定 性 ,泄漏量的减小是两者的综合效应。 图 1 0为椭圆弧齿 尖示 意 图。针对 椭 圆弧齿尖 取 1 0 组 样本 。得 到 了齿 尖 椭 圆短 轴半 径与 泄漏 量 的关 系如图 1 1所示 图 1 0 椭圆弧齿尖示意图 Fi g 1 0 I l l u s t r a t i
17、o n o f s k e t c h o f a r c s h a p e d t o o t h t i p f 删 嘿 袈 齿尖 椭 圆短 轴直 径 mm 图 1 1 齿尖椭圆短轴半径一 泄漏量关系图 F i g l 1 Ar c r a d i u s o f t o o t h t i p l e a k a g e g r a ph 椭圆弧把矩型齿迷宫齿尖直线作为长轴 ,短轴半 径越大齿尖 越 凸 出,而 圆弧 的 中心 固定 在齿 宽 中垂 线 。由图 1 1 可 以看 出齿尖 椭 圆短 轴半 径越大 泄漏量 越小 。 2 3 空腔部尺寸对泄漏量的影响 取齿高 h = 1 8
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