给水泵螺旋密封的结构改进.pdf

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 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 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 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 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， 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 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 ， 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= 0 3 50 4 0 m m、 螺旋头数 i =4 、 外螺旋 段 长度 L ，=1 8 m m、 内螺旋 段 长度 L = 2 7 m m、 外螺旋直径 d= 9 0 5 m m、 内螺旋直径 d= 8 1 5 m m、 外螺旋齿宽 C= 2 5 mm、 内螺旋齿宽 c= 3 mm。对比原给水泵的螺旋密封 ， 组合式 的结构 有效 降低了单个螺旋密封的密封长度 。由于组合 式结构具有两段密封 ， 充分有效地利用 了给水泵 的紧凑结构 ， 使 得实际密封工作长度有 所提高。 上段的螺旋密封将泵送的封液体向下输送， 浸润 在封液 中螺旋密封 ， 直观上理解 ， 有利于螺旋密封 的有效工作。下段 的螺旋密封将泵送 的封液向上 输送 ， 与上段螺旋密封成串联工作状态。下段螺 旋密封无封液可泵送时 ， 可输送一定压力的空气 ， 辅助提供上段密封 以正压 ， 有利于密封效果。如 果有空气逸 出， 则从排气管中排放。 两段螺旋密封均采用矩形槽 ， 因为矩形槽的螺 旋密封的封液能力受 间隙的影响较小【 2 J 。螺旋密 封的间隙由原来的0 1 5 0 2 0 i n l n增大至 0 3 5 0 4 0 m m， 提高螺旋密封的工作转速 的同时 ， 也提高 了螺旋密封的可靠度。螺纹头数的增加应结合螺 旋槽的尺寸进行计算 ， 以整个螺旋密封封液能力最 优为优化条件 ， 保障了螺旋密封的效果。 5 试验验证 螺旋密封 改进后 的给水 泵安装在 试验 台架 上， 开展相应的试验。针对组合式螺旋密封的效 果 ， 开展了变转速试验、 油压调节试验 、 运转试验 。 变转速试验是将给水泵从低转速一高转速一低转 速 ， 并进行多次轮 回。油压 调节试验是在油压许 可的范围内， 调节给水泵机组 的润滑油压力从低 压一高压一低压 ， 并进行 多次反复调节 。油压调 节后 ， 影响到汽轮机下轴承润滑油量 、 给水泵上轴 承润滑油量以及联轴器 喷油润滑油量 ， 即影响到 组合式螺旋密封的工作状况 。油压调节试验过程 中进一步结合变转速试验， 以充分验证螺旋密封 的可靠性和适应性 。运转试验是在给水泵规定的 5个工况 ( 不 同的转速 、 流量 、 扬程等 ) ， 开展 4 h或 者 8 h运行试验 ， 监测机组 的运行参数 ( 包含了螺 旋密封的泄漏情况 ) ， 考核组合式螺旋 密封 的一 定的耐久性。台架试验表明 ， 给水泵的组合式螺 旋密封效果 良好 ， 未出现泄漏。 该型给水泵机组多台已交付用户使用 ， 经历 了船上 的倾斜、 摇摆和多工况运行 ， 历时 8年 ， 运 行状况 良好 ， 无任何泄漏。 试验及使用表 明， 给水泵改进的组合 式螺旋 密封效果较好。 6结 语 受到结构的限制 ， 某型给水泵 的螺旋密封结 构非常 紧凑 ， 按 照常规设计 的螺 旋密 封 出现 了 “ 气吞” 现象， 导致螺旋密封失效。将原螺旋密封 改进为组合式螺旋密封 的结构后 ， 降低单个密封 段长度、 增大密封间隙、 增加螺纹头数， 显著地提 高了密封失效的速度 。试验和应用表 明， 组合式 螺旋密封 因地制宜地利用 紧凑 的结构 ， 收到 了较 好改进效果。文中提出的雷诺数的计算公式和组 合式螺旋密封结构为设计者提供 了有益 的借鉴 ， 为同行们研究“ 气吞”效应提供 了典型案例。 ( 下转第 8 3页) 2 0 1 4年第 4 2卷第 7期 流体机械 8 3 能的研究和分析 J 中国纺织大学学报， 1 9 9 3 ， 1 9 ( 2 ) ： 7 1 - 7 7 7 刘刚 喷水初温与水气比的关系及热湿交换理论的 研究 J 中国纺织大学学报， 1 9 9 6 ， 2 2( 5 ) ： 1 0 2 1 0 7 8 鲁孟群 ， 刘何清， 李春林 ， 等 喷水室内热湿交换数 值模拟研究 J 制冷与空调， 2 0 1 0 ， 2 4( 6 ) ： 1 0 1 1 0 6 9 马红利， 刘智勇 空调喷淋室热湿交换过程实验研 究 J 沈阳工程学院学报(自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 3 ( 3 ) 2 3 2 - 2 3 3 1 0 汤婷 喷水室空气处理方法的探讨 J 流体机械 ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 9 ) ： 5 5 - 5 7 1 1 王丽慧， 周亚素 撞针型高压小孔径离心式喷嘴的 加湿性能 J 暖通空调 ， 2 0 0 5， 3 5 ( 8 ) ： 7 5 - 7 8 1 2 赵自立， 宋琦 喷水室喷嘴的试验探讨 J 纺织学 报 ， 1 9 9 1 ， 1 2( 5 ) ： 2 2 - 2 5 1 3 黄翔 ， 卢迅， 许世刚 撞击流技术与流体动力式喷 水室的研究进展 J 西安工程科技学 院学报 ， 2 0 0 2 ， 1 6 ( 3 ) ： 2 1 3 - 2 1 7 1 4 黄翔 ， 李刚， 颜苏芊 流体动力式喷水室空调理论 及靶式撞击流喷嘴的实验研究 J 暖通空调， 2 0 0 4 。 3 4 ( 1 2 ) ： 5 5 - 5 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9 7 1一) ， 男 ， 高 级工程师 ， 主要从 事船用 泵的研制 ， 通讯地址 ： 2 0 0 0 3 1 上 海市徐 汇区衡 山路 1 O号 ， 上海 船 舶设备研 究所。