新型矿用排水泵入口段口环密封结构优化研究.pdf

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。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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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，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 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 m m，间隙宽度 b = 0 2 m m，仿真 中取 了 8种 空 腔 宽 度 日 ( 分 别 为 2 1 ，2 ， 2 ，2 3 ， 2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 m m) ，计算 得到 泄漏量 与 空腔宽度 的关系如 图 1 2 所示 。 一 3 2 l 2 0 1 5年第 5期 李宝 良等 ：新 型矿 用排 水泵人 口段 口环密封结构优化研究 硼 咖l 赡 嫠 空 腔宽 度 HI mm 图 1 2 空腔宽度一 泄漏量关系图 Fi g 1 2 Ca v i t y wi d t h l e a k a g e g r a p h 由图 1 2 可 以得 出结论 ：在迷宫 总长 、空腔 数等 尺寸都固定的条件下 ，空腔越宽越有利于密封 ，但 只 针对 工作介质是不可压缩流体 的迷宫 而言 。 在固定齿宽 的情况 下，对 1 9 ，2 ，2 1 ，2 2 ， 2 3 m m 5 种 空腔宽度分别设计 5 个和 6 个 空腔来证 明 空腔个数在这种情况下越多越有利 于密封 。计算 得到 泄漏量与齿数 的关 系如图 1 3 所示 。 f 鲁 蚓 嘿 空腔 宽度 Hl mm 图 l 3 齿数一 泄漏量关系图 F i g 1 3 To o t h nu mb e r l e a k a g e g r a p h 在不涉及其他基本尺寸参数 的情况下 。增加 或者 减 少迷 宫齿数就会减 少一组 能量转 换与 消耗 的过程 ， 因此这组仿真 的结论显而易见 ：在选定空 腔宽度 与齿 宽的情 况下 ，齿数越多密封性越好 。但在 实际工程应 用 中不可能通过不 断增加 密封长 度来强 化密 封效 果 而且文献 8 也表 明迷宫 长度 没有 限制 ，虽然泄 漏 量会随着齿数 的增加 而减少 ，但 当空腔数超过某一极 限值时 这种趋势会越来越 不明显 。也就是说即使迷 宫可 以设计得很 长 。综合考 虑 密封性 能和 加工成 本 齿数也不宜过 多。 另选空腔 宽度 为 2 8 m m取 1 6种齿高进行模拟仿 真计算 ，计算得到泄漏量 与齿高的关系如图 1 4所示 。 图 1 5为空腔宽度为 2 8 m m 的迷宫湍 动能云图。 明 栅 赡 齿 高 h i ram 图 1 4 齿 高一 泄漏 量关 系 图 Fi g 1 4 To o t h h e i g h t l e a ka g e g r a p h 粪 6 7 6 e +O 图 1 5 空腔宽度为 2 8 m m的迷宫湍动能云图 Fi g 1 5 T ur b ul e n t k i n e t i c e n e r g y n e p h o g r a m o f l a b y r i n t h wi t h 2 8 mm i n c a v i t y wi dt h 高0 3 mill 高0 5 n l m 高1 0 mill 高1 5 mil l 高1 8ll l ln 通过观察部分仿真样本的湍动能云图可以看出， 泄漏量最小 的空腔宽度 中射 流与涡流能量交换大 ，因 此处于最佳宽 高比的迷宫密封流场在空腔 中最易形成 高质量 的涡流 ，也有 助于射 流的不稳定性发挥节流作 用 能量 消耗 最大 ， 由图 1 5 可知空腔宽度为 2 8 m m， 最佳齿宽为 0 5 m m。 2 4空腔部形状 对泄漏量的影响 图 1 6 为斜齿示意 图 ，从 4 O 。 到 9 0 。 取 6 组 侧齿 面 与水平方 向不同夹角的仿真样本 ，研究斜 齿与泄漏量 的关系如图 1 7所示 。可以看 出，斜齿的角度在 6 9 。 左 右时密封性能最好 。 f 邑 栅 嫘 裂 图 1 6 斜齿示意图 Fi g 1 6 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 图 1 7 齿腔夹角一 泄漏量关系图 Fi g 1 7 Te e t h a n g l e l e a k a g e gra p h 3 离心泵 口环密 封结构优化设 计 通过 以上对 迷宫密封的结 构优化 ，在入 口段 口环 的光滑 内壁 面上设 置矩型齿迷宫密封 ，优化后的结 构 润滑与密封 第 4 0卷 尺寸方 案如表 l 所示 。 表 1 离心泵迷宫密封的主要参数 Ta b l e 1 T h e ma i n p a r a me t e r s o f t h e l a b y r i n t h s e a l i n c e n t r i f u g a l p u mp 图 1 8为有利于密封的异型齿示意图，在满足加 工和装配条件下，图 1 8( a )中的齿尖椭圆直径取值 越大越有利于密封，图 1 8( b )中齿尖角度越小越有 利于密封 ，图 l 8 ( c ) 中斜齿 角度取 6 9 。 附近 泄漏量 最 小。 图 1 8 有利于密封的异型齿示意图 F i g 1 8 I l l u s t r a t i o n o f s p e c i a l s h a p e d t o o t h p r o p i t i o u s t o s e a l 4 结论 ( 1 )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，都将导致泄漏量的大 幅变化 。 ( 2 )斜齿的密封性能优于直齿 ，改变齿尖平面 对密封性能有显著影响，齿尖凸起或倾斜的迷宫泄漏 量会大 幅减小 。 ( 3 )综合 分析 迷宫 密封 结构 中 ，异形 齿结 构 优 于直齿结构，有利于湍流充分发展从而可以提高密封 性能。 参考文献 【 1 】R h o d e D L ， A l i e n B F M e a s u r e m e n t a n d v i s u al i z a t i o n o f l e a k a g e e ffe c t s o f r o u nd e d t e e t h t i p s a n d r u b g r o o v e s o n s t e p pe d l a b y r i n t h s J A S ME J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 2 0 0 l ， 1 2 3 ( 3 ) ： 6 0 5 6 1 0 【 2 】E I G a m al H A， A w a d T H L e a k a g e f r o m l a b y r i n t h s e a l s u n d e r s t a t i o n a r y a n d r o t a t i n g c o n d i t i o n J T r i b o l o g y I n t 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