（机械工程专业论文）螺旋密封的结构参数优化设计、实验与应用研究.pdf

两要 对螺旋密封的工作原理、封液能力、影响因素等进行了理论研究，对螺旋 密封的结构参数进行了优化设计，并设计了螺旋密封台架对螺旋密封理论和螺 旋密封结构参数优化结果进行试验验证，进而把螺旋密封应用于作者所在的锦 西炼油化工总厂的设备改造上，取得了一定的经济效益和社会效益。 论文所完成的主要工作如下： 1 在调研国内外螺旋密封的相关资料基础上，对螺旋密封理论进行深一 步的研究。 2 进行了螺旋密封结构参数优化设计及其编程。 3 设计与制造了螺旋密封台架，验证了上述螺旋密封相关理论和螺旋密 封结构参数优化结果合理。 4 在离心泵上采用了上述优化设计参数的螺旋密封，并经生产应用。 5 实现了螺旋密封与浮环密封相结合的结构设计及应用。 本文的特色主要体现在： 1 对螺旋密封结构参数进行了优化设计，并应用v b 6 0 语言进行编程， 得出了密封的螺旋结构参数的优化值。 2 设计制造了螺旋密封试验台架，验证了螺旋密封相关理论和螺旋结构 参数的优化结果合理性。 3 根据实验中得出的优化螺旋结构参数，应用于离心泵，并取得成功。 4 把螺旋密封与浮环密封相结合，解决了生产中存在实际问题，取得了 很好的应用效果。 关键词：螺旋密封优化设计离心泵实验浮环密封 a b s tr a c t t h et h e o r e t i cr e s e a r c h e se m p h a s i z eo nw o r k i n gm e c h a n i s m ，a b i l i t yo fs e a l i n g f l u i d ，i n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h eh e l i c a la x i a ls e a la n dt h eo p t i m a ld e s i g no ft h e s e a l ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sh a sb e e np e r f o r m e d b a s e do nt h ed e s i g nf o r e x p e r i m e n to ft h eh e l i c a la x i a ls e a li nt h el a b o r a t o r y ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n d t h eo p t i m a lr e s u l t sf o rt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h eh e l i c a la x i a lh a v eb e e n v e r i f i e d ，a n dt h e ni ti sa p p l i e di n t ot h er e f o r m i n go ft h ee q u i p m e n t si nt h ej i a x i p e t r o c h e m i c a lc o m p l e xw h e r et h ea u t h o rw o r k s p r i m a r yw o r ki nt h ep a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g s ： 1 b a s e do ni n v e s t i g a t i o no fr e l e v a n td o m e s t i ca n do v e r s e ai n f o r m a t i o n ，t h e r e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo ft h eh e l i c a ls e a li sm a d ef u r t h e r 2 t h ep r o g r a mf o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o no ft h eh e l i c a la x i a l s e a li sd e s i g n e d 3 e x p e r i m e n t o ft h eh e l i c a la x i a ls e a li nl a b o r a t o r yi sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d ，a n dt h e nw o r k i n gm e c h a n i s ma n do p t i m a lr e s u l t sf o rt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft h eh e l i c a la x i a lh a v eb e e nv e r i f i e d 4 b a s e do nt h eo p t i m a lr e s u l t so fs e a l ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，ah e l i c a la x i a l s e a li su s e di nt h ec e n t r i f u g a lp u m p 5 t h es t r u c t u r a ld e s i g na n da p p l i c a t i o nf o rc o m b i n a t i o nb e t w e e nt h eh e l i c a l a x i a ls e a la n df l o a t i n g - r i n gs e a lh a v eb e e np e r f o r m e d m a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g s ： 1 a p p l i c a t i o no nap r o g r a mb a s e do nt h el a n g u a g eb 6 0 ，t h eo p t i m a l p r o g r a mo fs e a l ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r si sd e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s r u n n i n g ，t h em o s to p t i m a lv a l u eo fs e a l ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r si sg o t 2 e x p e r i m e n to ft h e h e l i c a la x i a ls e a li nl a b o r a t o r yi sd e s i g n e d ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e da n dt h e s ee x p e r i m e n t sm a k et h er e l e v a n t m e c h a n i s ma n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h eh e l i c a la x i a lm o r es u r e 3 a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h eh e l i c a la x i a ls e a lg o t f r o mt h ee x p e r i m e n t ，i ti su s e di nt h ec e n t r i f u g a lp u m ps u c c e s s f u l l y 4 c o m b i n a t i o n 。b e t w e e nt h eh e l i c a la n df l o a t i n g - r i n gs e a l ，t h ep r a c t i c a l q u e s t i o n sd u r i n gt h ep r o d u c t i o nh a v eb e e ns o l v e d k e yw o r d s ：t h eh e l i c a ls e a l ，o p t i m a ld e s i g n ，c e n t r i f u g a lp u m p ，e x p e r i m e n t ，t h e f l o a t i n g r i n gs e a l 螺旋崭封的结构参数优化设计、实验，应用w f j 0 前言 密封是机械没备的重要组成部分。凡是与流体接触的可拆卸的设各以及机 器中，将两个流体空间隔开并作相对运动( 旋转或往复) 的部件之间都存在密 封问题。虽然它在整台机器设备不是很大的工作元件，但它对其工作效率和可 靠性的影响却不容忽视。一种机器的密封技术水平，往往成为该产品技术水平 的重要标志。密封装置的设计不仅关系到机器的密封程度，而且还关系到它能 否正常运转，影响到机器的功率消耗和寿命。 实践证明，密封性能不良而使工作介质或润滑液的泄漏所造成的损失是十 分惊人的。尤其是石油、化工机械处理的流体大多是易燃、易爆、有毒及具腐 蚀性的介质，如果密封失效介质外漏，不仅污染环境，还会导致火灾、爆炸、 设备腐蚀以及人身安全等重大事故。在日常的机器设备使用和维修中，对于机 泵几乎4 0 5 0 的工作量是密封问题。 我们通常把靠密封力使密封面相互贴紧、接触甚至嵌合的密封称为接触式 密封；而密封面有间隙使之互相不接触的密封称为非接触式密封。接触式密封 使用较早，接触式密封结构简单，成本低，在过去、今天都是得到了广泛应用。 但由于接触式密封靠的是密封件与密封件之间的压紧配合，在动密封中，其配 合间摩擦力大、发热量高，高温、高速等苛刻的工况条件还不能完全胜任。尤 其是密封件需经常更换，这样不仅成本高，而且费时费力，严重影响生产。这 就对整个密封系统的耐高温性能、抗磨性能、可靠性寿命提出了更高的要求。 虽然为此人们又用了新的耐高温材料，改善了结构，但这使成本大幅度提高， 结构变得复杂，维修困难，使其应用推广受到限制。进而人们只得从原理上攻 艰，继而出现了离心密封、螺旋密封、迷宫密封、磁流体密封几组合多种不同 工作原理的非接触式密封，这些密封在定程度上解决了接触式密封所无法解 决的一些问题，并在工业生产中得以应用，显示出旺盛的生命力。但由于这些 非接触式密封刚刚产生不久，仍存在一些有待解决的问题和需要完善的地方。 螺旋密封是在旋转轴与静止壳体之间有一狭小间隙，其中充满粘性液体， 在轴或壳体上( 或者同时在两者上) 切出螺旋槽，当轴旋转时，螺旋槽对液体 煎加一个推动力，进行能量变换，使轴的旋转动能变换成粘性液体的压力能， 从而形成密封压头，此即螺旋密封的泵送效应，形成密封压力，该压力与被密 封流体压力相平衡，便能阻止液体泄漏。由于螺旋密封的泵送效应是建立在粘 性流体的粘性力的基础上，因此，螺旋密封又称为“粘性密封”。 多年来，许多研究者对螺旋密封的密封能力进行了深入研究，并提出了多 种形式的封液能力理论公式，其中以布恩太尔( b o o ne f 一t a ls e ) 和克里 斯( c r e a s e a b ) 提出的理论公式最具有代表性，应用较普遍，而其它形式的 理论公式大都是以他们的理论为依据而建立的。 德国学者布恩太尔( b o o ne f 一t a ls e ) 根据“压力平衡”的观点，利 用纳维一斯托克斯方程( 即n s 方程) 求解而导出的在层流工况f 螺旋密封封 液能力公式【l 】，该公式最早是1 9 2 5 年龚倍尔一埃佛林提m 的： 螺旋高封的结构参数优化设计、实验1 引蜕啊研究 a p ：丝警c 。 c 式中c 一一半径间隙，m ： d 一一螺旋直径，m ： l 一一螺旋工作长度，m ； 一一角速度，r a d s ： “一一密封液体的动力粘度，p a s ： c 。一一增压系数，在层流工况下，其值只与螺旋几何参数有关。 该式理论分析严格，计算方便，故目前应用较普遍，但有一定局限性，因 为它是经过一定简化和假定，利用n s 方程求解而导出的理论公式，用于工程 设计，往往与实际测出的数据差距较大f “，故实用性较差。 1 9 7 5 年英国学者克里斯( c r e a s ea b ) 根据“流量平衡”观点提出的沿螺 旋槽和跨越螺旋槽的泄漏量之和等于泵送流量是零泄漏密封的条件p 1 ，根据此 条件导出在层流工况下螺旋密封封液能力理论公式： a p ：k 1 _ v l c 式中v 一一螺旋轴的圆周速度，m s ； c 一一半径间隙，m ： l 一一螺旋工作长度，m ； k 3 = u 一一密封液体的动力粘度，p a s ： k 3 一一密封系数，其值只与螺旋几何参数有关，即 6 ( k 2 一o t g a 辔弘去 式中k l 一一螺旋相对槽宽，k 1 = s ( s + a ) ； s 一一轴向槽宽，m ； a 一一轴向齿宽，m ； k 2 一一螺旋相对槽深，k 2 = ( h + c ) c ； c 一一半径间隙，m ： h 一一槽深，m ； n 一一螺旋角。 该式理论分析清楚，可靠，并可通过引入修正系数计入各种冈素对密封性 能的影响，实用性较强。 实践表明螺旋密封的应用在许多方面优于其它密封，特别对空间小，密封 压力要求不高的密封部位，螺旋密封既有把握又方便。另外在制造、安装等方 面也优于其它密封，并且其消耗动力小、结构简单，是今后密封发展的方向。 螺旋密封结构通常是在密封部位的轴或孔的表面卜，( 或同时在两者上) 切 出螺旋槽：若螺旋槽开在转轴【二，则为螺杆式螺旋密封；若螺旋槽开在孔上，则 为螺套式螺旋密封：若在转轴、孔的表面上同时切m 旋向相反的螺旋槽，则称 为迷宫螺旋密封。 螺旋错判的结构参数优化设计、实验与廊用研究 理论分析表明，在密封条件相同的情况下，螺套式螺旋密封不仅可以获得 与螺杆式螺旋密封同样的封液能力【4j ，而且还具有以下优点：在静止壳体( 或 套) 上开槽与在转轴上开槽，其压力流受离心作用的影响不同，后者，其压力 流将因离心作用而加强，而前者则相反，其压力流将因离心作用而受阻，因此， 在套上开槽的螺套式螺旋密封能提高“密封破坏”速度。在静止壳体( 或套) 上开槽与在转轴上开稽，其间封液受到的搅拌作用不同，后者使封液受到剧烈 的搅拌，容易引起“吸气”现象而使密封失效，而在套e 开槽时就可大大减少 “吸气”现象的发生，提高高速工作条件下螺旋密封的稳定性。在静止壳体( 或 套) 上丌螺旋槽，既不伤害转轴，又有利于螺旋密封的安装、拆卸和维修，这 一点对老设备密封结构的改造尤为可贵。 要提高机器运转的可靠性，必须提供一种结构先进、密封可靠、功率损耗 小的密封结构。本文将针对螺旋密封作了一些理论研究和优化设计，并且在浮 环密封和离心泵上作了一些应用。 螺旋崭封的结构参数优化设计、实验j 府川研究 1 离，心泵常用密封介绍 密封作为离心泵的一部分，也随着整个密封技术与离心泵技术的发展而发 展。目前石化企业的大部分离心泵的密封采用的是软填料密封、机械密封两种 密封形式。其中机械密封密封效果好，但存在结构复杂、加。 制造维修不便， 价格昂贵等不足。软填料密封是传统的密封形式，其历史悠久，存在结构简单、 价格低廉等优点，而且近年来采用了膨胀石墨等新型材料，在一定程度上提高 了其耐高温、耐磨损的性能。但是，不管采用何种材质的密封材料，在防止或 减少泄漏而增大盘根压力过程中，盘根与轴的摩擦力加剧，热量增多，盘根与 轴的磨损也随之加剧，盘根很易失效。 近年来，有人大胆地在离心泵上采用螺旋密封，并获得了较好的使用效果。 工业应用实践表明，螺旋密封的确有许多传统密封望尘莫及的优点。但其中仍 存在密封压力不高，停车密封不是很可靠等问题，为此，我们应该对其做进一 步的研究。 1 1 软填料密封介绍 1 软填料密封基本结构 软填料密封是一种压紧式填料密封，俗称盘根。它是利用柔软材料作成压 缩填料来填塞运动体间隙的动密封装嚣。 图1 1 所示是一种典型结构的软填料密封。软填料依靠压盖轴向压紧，产 生径向变形，填塞间隙而密封。软填料变形时，依靠合适的径向力紧贴转轴和 填料箱内壁表面，保证可靠的密封。 从图1 1 中可知，软填料密封的结构简单，装拆方便。但软填料磨损后需 拧紧压盖螺栓或更换填料。 2 软填料密封的泄漏途径 在软填料密封中，内部流体通过下列途径泄漏： f 1 ) 流体穿过软填料本身的缝隙而出现的泄漏现象( 如图1 1 中a 所示) 。 a 处的泄漏是由于毛细管作用透过纤维材料编织物质而产生的。一般情况下只 要填料被压实，这种泄漏很少；在工作压力较高的场合，可采用软金属( 如铜) 或聚四氟乙烯垫片与编织料混装的办法来杜绝流体泄漏。 7 图1 1软填料密封基本结构 f i g u r e l - 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f s o f tp a c k i n gs e a l 螺旋带封的结构参数优化哎计、实验，应用研究 1 一压盖螺栓；2 一压盖；3 一轴承箱；4 一封液入口 5 一封液环；6 一软填料；7 一衬套 a 一软填料穿漏；b 一靠箱鼙侧泄漏：c 一靠轴侧泄漏 ( 2 ) 流体通过软填料与转轴之间的缝隙而泄漏( 如图1 1 中c 所示) 。c 处 的泄漏是因为在软填料与轴之问，有相对运动，难免存在问隙而造成泄漏，显 然此处是填料密封的关键部位。 ( 3 1 流体通过软填料与填料箱壁之间的缝隙而泄漏( 如图1 1 中b 所示) 。 b 处是箱壁内表面与填料之问的泄漏，因为无相对运动，填料被压实后就能防 止泄漏。 3 软填料密封的工作过程 当拧紧压盖螺栓时，塑性填料受轴向的压紧力作用产生塑性变形而沿径向 扩张，进而抱紧轴，这样可在一定程度上阻漏；另一方面，由于轴磨损后的不 平，不可能使其整个表面全部接触，因而当轴与填料相对运动时，在凸起的接 触部位与凹入的非接触部位形成了微小的不规则的迷宫，造成了流体的节流降 压，即所谓软填料的“迷宫效应”，使流体沿轴向的流动受到阻碍，进而实现 密封。 为了使沿轴方向径向力分布均匀，采用中间封液环将软填料密封分成两 段；为了使软填料具有足够的润滑和冷却，往封液环中间4 注入润滑液体( 封 液) ；为了防止软填料被挤出，采用具有一定间隙的衬套7 。 觥螽盏 ( a ) ( b ) ( c ) 图1 2 软填料的耗损 f i g u r el 一2 t h es p o il a g eo fs o f tp a c k i n g ( a ) 一新装填料：( b ) 一填料变化：( c ) 一经多次调节而被压实 图1 2 所示为软填料密封在工作过程中被压缩。首先是新装的软填料( a 1 ， 填料内充满浸渍的油脂和石墨，质地柔软，保证有一定的弹性来达到密封。但 在工作过程中，填料箱因受摩擦热而膨胀，轴( 或轴套) 因磨损而变细( b ) 。填 料既要压紧，又要保持弹性接触，需要补紧。压盖压紧时将浸渍剂挤出，填料 又有了损耗。最后填料被压实变扁发硬，会使轴( 或轴套) 磨损加剧( c ) 。因此， 为了达到良好的密封，必须保持软填料具有柔软的弹性。 4 软填料密封在使用中，应注意的问题 螺旋一肾封的结构参数优化设计、实验，应用研究 软填料密封在今后的使用中，需要重点解决下述问题： ( 1 ) 如何尽量使径向压紧力均匀且与泄漏压降规律4 “+ 致，使轴套承压面的压 力均匀，轴套磨损小而且均匀； f 2 1 如何使填料密封结构具有补偿能力和填料材料具有足够的润滑性和弹 性： ( 3 1 填料的摩擦系数对箱壁和轴不一样，前者是静摩擦后者是动摩擦； ( 4 ) 普通结构的填料密封的填料沿轴向的径向抱紧力分布不均匀问题。 1 2 机械密封的介绍 1 机械密封的基本构成 机械密封是一种旋转轴密封，或称为旋转机械端面密封，它是靠一对或数 对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持贴合 并配合以辅助密封而达到阻漏的密封装置。常见结构如图2 3 所示。 图1 。3 机械密封结构示意图 f i g u r e l - 3 t h es t r u c t u r eo fm e c h a n i c a ls e a l 构成机械密封的主要元件有：端面摩擦副( 静环1 和动环2 ) ，弹性元件 ( 弹簧4 ) ，辅助密封圈( o 形环8 、9 ) ，传动件( 传动销3 、传动螺钉6 、7 ) ， 防转件( 防转销) 和固紧件( 弹簧座5 和压盖1 1 ) 。 2 机械密封基本先件的作用 f 1 1 端面摩擦副( 动、静环) 保持紧密贴合组成密封面防止介质泄漏。要求 动、静环具有良好的耐磨性。动环可以轴向移动，自动补偿密封面麽损，使之 与静环良好地贴合，静环有浮动性，起缓冲作用。 ( 2 1 弹性元件( 弹簧) 主要起补偿、预紧及缓冲作用，也是对密封端面产生 合理比压的因素。要求始终保持弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦，起动环 补偿作用。 ( 3 ) 辅助密封( o 形环、v 形环) 主要起到静环和动环的密封作用，同时也 螺旋样封的结构参数优化设计、实验j 应用研究 起到浮动性和缓冲的作用。要求静环的辅助密封元件保证静环与压盖之间的密 封性，使静环有一定的浮动性；动环的辅助密封元件保证动环与轴或轴套之间 的密封。 ( 4 1 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键) ，其作用是将轴的转矩传 给动环。 ( 5 ) 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖、轴套) 起着静、动环的定位、紧固 作用。要求定位正确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好贴合 的弹簧比压；同时要求拆装方便，容易就位，能重复使用。 3 机械密封的泄漏途径 机械密封的可能泄漏途径参见图1 3 ，主要有三个： f 1 ) 端面摩擦副的密封面处泄漏a ，这是主要密封面，决定机械密封摩擦和 密封性能的关键，同时也决定机械密封的工作寿命。因此，对接触端面的要求 较高，粗糙度要求接近镜面，平面度须达o 0 0 0 9 m m 。对于不同介质，要求用 合适的摩擦副材料组合。 ( 2 ) 静环与压盖的静环密封处泄漏b 和动环与轴( 轴套) 的动环密封处泄 漏d ，是辅助密封面，决定机械密封的密封性和动环浮动性的关键，特别是动 环与轴( 轴套) 的密封面，首先应防止锈蚀水垢或化学反应物料堆积造成动环 “搁住”( 不弹) 。 ( 3 ) 压盖与密封箱体的静密封c 和轴套与轴的静密封e ，这两处均为静密 封，可根据密封介质选用相容的材料。此外，动环如采用镶嵌结构，也可能在 镶嵌结合面处有泄漏，必须注意该处的配合。 与软填料密封和机械密封不同，螺旋密封作为一种新型性能优良的密封， 其结构和工作原理1 ，很值得我们深入研究，后面我们将详细介绍。 1 3 各种离心泵密封的特点分析 1 软填料密封的优缺点 优点：结构简单、运行可靠、价格低廉、适用范围广泛。 缺点：在软填料密封中，由于填料受力不均，为此在靠近压盖的地方，填 料磨损严重，失效快，此外轴的磨损也较为严重；自动补偿能力不满足要求， 当填料与轴工作一段时间后，二者问间隙磨损加大，而软填料密封结构一般无 自动补偿压紧能力，故只有频繁拧紧压盖螺栓，这样给操作者带来诸多不便， 在现场工作中，常因管理不善而造成严重泄漏；由于软填料与轴的接触面大， 摩擦产生热量大，而热量不易通过导热性差的填料散失，因此容易造成密封面 间的液膜蒸发，出现干摩擦而使磨损加剧，如使冷却装置，则会使结构复杂， 难以做到封液与被封液不楣混合：当被封液含固相颗粒介质，则密封更易损坏， 需经常更换填料，这样费时费力，影响生产。 2 机械密封的优缺点 优点：性能可靠、泄漏量小。在一个较长的使用周期内，机械密封很少泄 漏，通常只有肉眼刁i 易观察到的微量泄漏，具体值为0 1 1 0 m l h ，据统计为填 料密封泄漏量的1 6 0 0 。机械密封的磨损量小，且能自动补偿，因此寿命比填 螺旋符封的结构参数优化站玑戈验j 腑川川究 料密封k ，在国内油泵可达一年以上。功率损耗低，轴或轴套无磨损，是否需 要更换，取决于介质对轴的腐蚀。能适应高温、高压等苛刻工况。 缺点：结构较为复杂，对制造加工要求较高；安装与更换比较麻烦，对工 人的安装技术水平要求较高：发生偶然事故时，处理较麻烦；一次性投资高； 维修费用高；对含颗粒介质，仍存在寿命低的问题。 3 螺旋密封的优缺点 优点：结构简单，制造加工容易；安装精度要求不高，维护使用方便；寿 命长，大约为机械密封的4 5 倍；效率高；适应性强，对操作波动，抽空等不 敏感；可达到零泄漏，密封能力较强；该密封属非接触密封，故耐磨、耐蚀、 不需高刚度高硬度的材料；整体经济效益可观。 缺点：停车时，密封失效，需配以停车密封。 综上所述，我们不难看到螺旋密封在制造加工、安装、维护等方面的优越 性的确高于软填料密封与机械密封，如果在离心泵上合理配以停车静密封，其 发展前景非常可观。 螺旋密封的鲇构参数优化设计、实验与脚用列f 宄 2 螺旋密封的相关理论研究 螺旋密封是近几十年发展起来的一种新型非接触型流体动密封。其结构 是，在密封部位的轴或孔的表面上( 或同时在两者上) 切出螺旋槽：若螺旋槽 开在轴上，则为螺杆式螺旋密封，为目前常用的一种型式；若槽开在孔上，则 为螺套式螺旋密封；若在两者的表面上同时切出旋向相反的螺旋槽，则称为迷 宫螺旋密封。无论哪种密封，在密封元件间都有较大间隙，均能消除引起介质 泄漏的压差而做到无泄漏。 螺旋密封的特点是密封元件间有较大间隙，密封元件间永远不会发生摩擦 接触，可以在较高转速下使用且工作寿命很长。这种密封对许多苛刻条件诸如 高温、腐蚀流体、含颗粒流体或润滑性差的流体等恶劣环境都有效。因此，螺 旋密封越来越受到人们的重视。 2 1 螺旋密封的工作原理 螺旋密封的工作原理是在螺旋轴与静止壳体之间有狭小间隙，其中充满粘 性流体。当轴旋转时，螺旋槽对液体施加一个推进力，进行能量交换，使轴的 旋转动能变换成粘性液体的压力能，从而形成密封压头，也即螺旋密封的泵送 效应。该压头与被密封流体压力相平衡，便能阻止液体泄漏。这种流体动压反 输型螺旋密封是依靠被密封液体的粘性力产生压头来封住介质的，因此又叫做 粘滞密封。 ( a ) 图2 1螺旋密封作用原理图 f i g u r e 2 1 t h em e c h a n i s i md i a g r a mo fh e l i c a la x i a ls e a l 螺旋密封可以用螺杆，也可以用螺套( 图2 1 ) 。可以采用右旋螺纹或左旋 螺纹。但为了实现正确的密封，必须弄清楚螺旋密封的赶油方向。表2 ，1 中列 出了螺旋密封的螺纹种类、螺纹的旋向和螺旋密封的轴转向之间的关系。 表2 1螺旋密封的螺纹旋向和轴的转向 t a b l e 2 1t h er o t a t o r yd i r e c t i o no fs c r e wt h r e a da n da x i a lf o rt h eh e l i c a la x i a l s e a l 螺旋密割f 内结构参数优化殴汁、实验与应用 j | 究 轴转向右转( 顺时针)左转( 逆时针) 螺旋种类螺杆螺套螺杆螺套 螺纹旋向右旋 左旋右旋 左旋右旋 左旋 右旋左旋 高压侧位置右边左边左边右边左边右边z l 边左边右 低压侧位置左边右边右边左边右边左边左边边 流向 螺旋密封的工作原理概括说就是“利用机械效应、节流和尖角效应来实现 密封的。” 2 1 1 机械效应 螺旋密封的机械效应与螺杆泵、螺旋输送器的机械效应相类似。 如图2 2 所示，假若我们在旋转轴上开螺旋槽，这时液膜层相当于只能沿 轴移动而不能转动的一只螺母，按如图2 2 所示的方向旋转，液膜层在螺旋产 生的轴向力的作用下向右滑动，阻止了液体向左流出，进而实现密封。 图2 2 转辱由开螺旋槽图2 3 静i 上件丌螺旋槽 f i g u r e 2 - 2 0 p e n i n gh e i c a ls l o ti nr o t a t o r ya x i sf i g u r e 2 3o p e n i n gh e l i c a ls l o ti n s t a t i cm o d u a l e 假若把螺旋槽开在静止部件上，这时液膜相当于一个旋转的空一t b 丝杠套在 轴上，如图2 3 所示，液膜层在螺旋槽所产生的轴向力的作用下向右滑动实现 密封。 液膜层中的液体质点向右滑动的情况可用图2 - 4 说明，假若我们把螺旋槽 展开，如图2 4 所示，开车时液体质点a 在o 点受到一个垂直于螺旋面的f 力的作用，把这个f 分解成两个分力f i 与f 2 ，f 1 与质点原来运动的方向相反， 它给相继而来的质点a ，a z a 。一个阻力。而f 2 使液体质点向右移动。又 由于质点在液膜附着力的作用下是运动的，所以它的实际运动方向是c 方向， 也就是沿螺旋槽的轨迹向右流动。 0 螺旋带封的结构参数优化i 殳计、实验应用研究 a2 图2 4 机械效应示意图 f i g u r e 2 - 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em e c h a n i c a le f f e c t 2 1 2 尖角和节流效应 无论螺旋采用是螺旋沟还是螺旋槽，加工后必然形成一个尖角，以螺旋槽 中的矩形槽为例，如图2 5 所示，当液体通过矩形槽的尖角时会产生局部压力 损失。另外，当液体通过尖角时，由于流通截面的变大和变小会形成涡流这样 也会产生局部压力损失，这些局部压力损失减缓和阻止了液体向外流动，起到 密封作用。 图2 - 5 尖角和节流效应示意图 f i g u r e 2 5 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee f f e c tf o rt i pa n g e la n dt h r o t t l e 由以上分析可知，螺旋密封的工作原理完全是从液体动力学的角度来分析 解决问题的，从结构上避免了传统密封的那种密封件与密封件问的直接接触， 同时也使结构得到了简化。 2 2 螺旋密封的理论 虽然螺旋密封目前应用在许多尖端技术领域，大量文献对密封性能作了许 多相当复杂的分析。然而现在的这些理论与普通技术领域的螺旋密封的实际设 计之间还存在很大的差距，努力缩小这个差距是我们的重要任务之一。 根据克里斯“流量平衡”理论，在螺旋密封装置中，存在三种流动：高压 端的液体沿轴上的螺旋槽向外端泄漏，其泄漏量用q 。表示；高压端的液体沿 螺旋轴与壳体间的环形间隙向外端泄漏，其泄漏量用q 。：表示；外端的液体被 转轴上的螺旋槽向高压端泵送回去，其泵送流量用q 。表示。密封的机理就是 这三种流量的平衡，即当泵送流量与前两项泄漏流量之和( q 】1 + q i2 ) 相等时， 螺旋密封的结构参数优化设计、实验1 ，应用研究 说明密封无泄漏，故螺旋密封的密封条件为q 。= q 。+ q - z 。要获得准确可靠的 封液能力公式，其关键是正确计算三种流量。 ( 1 ) 泵送流量q 。 要确定泵送流量q 。，必须先分析和确定槽中泵送速度的分布规律和数值。 这是一个复杂的问题，因为泵送速度沿槽方向的分靠情况，除受粘性影响外， 还受横向流、液体旋涡等因素的影响，其实际分布规律难以用解析法确定。为 便于分析，将螺旋槽内流体的泵送流动模型简化为粘性流体在具有相对运动的 两壁面( 槽底面和壳壁) 之间的流动，类似于流体在两平行板问的古埃特流动 ( c o u e t t ef l o w ) ，它是依靠流体粘性而产生的剪切流动。 我们在对螺旋密封结构简化后，按近似直线分布的速度模型来处理。图2 - 6 为螺旋槽部分简图。 图2 - 6 螺旋槽部分简图 f i g u r e 2 6 t h ep a r td i a g r a mo ft h eh e l i c a ls l o t 按此简化模型，槽内任意点处的泵送速度为 “，2 云_ 2 云n o s 口 嵋 j 丧 图2 7 螺旋槽内速度分布简图 f i g u r e 2 7 t h es p e e dd i s t r i b u t i o nd i a g r a mi nt h eh e l i c a ls l o t 此式即为按直线分布的速度模型的数学表达式。式中v 为壳壁处的液体相 对于螺旋轴旋转的圆周速度，该速度沿螺旋槽方向的分量，即为壳壁处液体的 泵送速度( 图2 - 7 ) ，显然，吃= v c o s 甜。由此可求得沿槽深方向泵送速度的 平均值，即： “，= 丢f “，出= i 1 i zc 。s 砒= 吉矿c 。s 口 螺旋密封的结构参数优化设计、实验与脚用研究 图2 - 8 为螺旋密封的几何形状尺寸。其中d ，螺旋外径，m ；n ，螺旋角 b e ，螺旋齿宽，m ；b g ，螺旋槽宽，m ：h g ，螺旋槽深，m ；i ，螺旋头数a 图2 8螺旋密封的几何形状和尺寸 f i g u r e 2 8 g e o m e t r ys h a p ea n ds i z eo ft h eh e l i c a la x i a ls e a l 定义相对槽宽k 。，即k 。= _ 芋_ a o 。十0 。 泵送速度算出后，就可以计算泵送流量。泵送流量计算公式如下 泵送流量= 泵送速度x 横向槽宽x 槽深x 头数 1 即：g = 专矿面s t 2 以x c o s a f x h x i 从图2 7 螺旋槽的几何形状可以得出： 由此可以得出： q p - l v 石d h k 1 x s i n t z xc o s t 2 ( 2 - 1 ) 上 ( 2 ) 泄漏流量吼 正如前述，泄漏流动可以沿两个路径产生：沿螺旋槽流动和越过螺旋槽 顶的流动。在两种情况下，泄漏量都可以按通过缝隙的一般公式计算，即： 流量= ( 压降x 缝深3 缝宽) ( 1 2 x 粘度缝长) 参见图2 8 ，对于沿螺旋槽的流动： 缝深= h + c 缝宽= 槽的横向宽x 槽数= b 。x c o s 口x i 螺旋擀封的结构参数优化设计、实验t ，心用研究 缝长= s l n 口 故沿螺旋槽的泄漏量为： 幺。：a p ( h + c ) 3 x b x 7 c o sa x i 1 2 x # x s i n 口 式中：p 一一密封压差，p a ； 一一液体动力粘度，p a s 三一一螺旋长度，m 。 对于越过螺旋槽的流动，不论螺旋槽具有何种尺寸，只要是正常的，泄 漏阻力几乎全部来自齿顶，图2 9 为其展开图： 螺旋槽的流动 图2 - 9 螺旋密封的展开图 f i g u r e 2 9 t h es t r e t c hd i a g r a mo ft h eh e l i c a la x i a ls e a l 缝深= 齿顶间隙= c 缝宽= a b xc o s 口= a d ix c o s t 2 = d ex c t g d x i c o s 甜 。( 6 9 + b 。) xc t g a i c o s 甜 缝长= a cx 丽淼 一( 1 一k 1 ) x l 4 螺旋密封的结构参数优化设计、实验与麻用研究 故越过螺旋槽的泄漏量为 幺：= a p xc 1 3 ( i b 。i + b , 五) x 正c t g i 6 cx r ix c o s 2t z 所以总的泄漏量 o = q l + o l2 = a p xc 3 ( 6 9 + b e ) c t g c r x i c o s 2 口 1 2 肛x ( 1 一k ) 定义相对槽深k 2 = h + c c a p ( h + c ) 3 唿c o s a x i xs i n a , 1 2 z 正 牛去 因此，总的泄漏量是： 鱿：x x dx c 3 a p 。1 c o 聂s 2 a 万。 k 面ix i ( k 百1 - 1 ) x k 2 3 x t 9 2 a - 1 ( 2 2 ) ( 3 ) 密封能力 在实际应用中，我们要求泄漏量为零，即零泄漏。对于螺旋密封，则要 求泵送流量与总的泄漏量相等，即q 。= q 。即 j 1 矿万d m 。k - s i n 盯c o s 口 ：! ：里! ! ：竺：! ! ! ! 竺：区! ：! 墨! 二! ! ：墨i ：鳖：竺二! j , 1 2 。l ( k ，一1 ) 把上式整理化简得： p：6xfxlxvxklxhxtgctx(k1-1) c 3 ( 墨k l 一1 ) k ；x t 9 2 口一1 又由于h g = c ( k ：一1 ) 故尸：! ：丝：圭：兰：鳖竺! ! 鉴! 二! ! ，帐；t g 一志 半 = 又 螺旋密封的结构参数优化& 计、实验j 引衄用州宄 令k = 3 竖坐 e 1 9 2 口- - 百乏 我们把k 称为密封系数。则 p ：坐：墨；竺! 丝 c 公式( 2 - 4 ) 即为螺旋密封的封液能力计算公式。 2 3 影响螺旋密封性能的因素 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 由公式( 2 - 4 ) 不难看出，液体的粘度，螺旋长度、间隙、轴的圆周速度 及螺旋结构参数等对密封性能均有影响。由于螺旋密封的发展时间不长，许多 理论只限于特定的实验或特定的工作环境，其问的关系有待于进一步研究。 螺旋槽的截面形状有多种，常用的有矩形、三角形、梯形、锯齿形等。从 螺旋槽的尖角效应和节流效应来看，不同形状的螺旋槽会产生不同的局部阻 力，并且其产生的泵送作用也不相同，密封能力也就不同，因而螺旋槽形状的 选择对密封的效果很重要。因此，正确选用螺旋密封的截面形状，对提高螺旋 密封的使用性能和密封性能具有重要作用。目前，人们对矩形槽螺旋密封的理 论和实践研究较多，应用也最普遍，这是一种便于加工，封液能力强的截面形 状。 在螺旋密封的设计中，必须重视间隙c 。一方面，间隙大一些，会加大泄 漏的可能性；另一方面，间隙小一些密封能力高，但对加工安装要求高，如果 加工安装不当，会引起轴套和静套间的直接接触，会加大磨损，降低使用寿命； 另外安装时的偏心也将严重影响封液能力。因而间隙的选择应根据实际情况来 确定。经验上对于高转速、被封液粘度大的情况，间隙可以选择大一些；反之 小一些，当然这个间隙值还应满足密封压力的计算。 另外，液体的粘度和螺旋长度对封液能力有不可忽视的影响。u 越大，p 就越大，事实上对于一定的液体，在稳定工作中其粘度是基本确定的，我们可 暂且不考虑其粘度；对于螺旋长度，我们期望以螺旋密封工作中封液的浸润长 度为最佳螺旋长度，这样方面可有效润滑冷却螺旋段，另一方面可节约空间、 减小密封装置的结构尺寸，故在设计中建议取封液浸润艮度接近于螺旋段长 度。 螺旋角，槽宽b g ，齿顶宽b e ，螺旋头数i ，槽深h 等结构参数对螺旋密 封的封液能力也均产生不同程度的影响。 螺旋晰封的结构参数优化设计、实验0 战用研究 3 螺旋结构参数的优化 螺旋作为螺旋密封的主体部分，其结构参数的优劣直接影响整个螺旋密封 的封液能力。各个螺旋结构参数对封液能力的影响不是独立的，而是相互关联 的，其问的关系也是很复杂的。在当前的螺旋密封设计中，多采用优化的方法 对其结构参数进行确定。 下面，就本文推导出的封液能力公式( 2 - 4 ) ，简要介绍一下螺旋结构参数 的优化确定过程： 3 1 螺旋结构参数与封液能力的变化规律 螺旋密封的结构参数优化，就是求单位螺旋长度上封液能力的最大值，即 求a p ：丝型拿二些最大值。由于是对结构参数的优化，故认为丝掣为定值， c c 。 则当k 取最大值时，”就获得最大值。 因此，我们把目标函数确定为： k ： ! ! 茎! 二! ! 鳖竺 ( 3 1 ) k ：辔护再 k 的取值显然就决定于k 1 ，k 2 ，。 通过计算机绘制相关曲线图，观察螺旋结构参数与密封系数的变化规律。 图3 1 为不同相对槽宽下的k a 曲线，从图3 - 1 中可以看出，在k 1 = o 5 时，k 有最大值，而当k 。大于或小于0 5 时，k 都将减少，可以说k l = 0 5 是 最优值，由公式k ，= 击可知，当k i = o 5 时，槽宽与齿宽相等，即b g = b e 。 u e 十u g 我们假定k 1 = 0 5 ，绘制出不同相对槽深下的k 一曲线，如图3 - 2 ，从图3 2 中可以看出，当k 2 = 2 5 5 5 之间时，k 有最大值，k 2 较小或较大时，k 都将减 少。 我们假定k 1 = o ，5 ，c = 0 1 m m ，绘制出不同槽深下的k o 【曲线， 触蠕帅 蛳 o的 w蚰 肿 0 螺旋密封的结构参数优化设计、实验1 j 应用硎冗 3 0 帅雅 髓 拍踟*螺鞋角t 图3