一种新型液体密封装置的设计

一种新型液体密封装置的设计

1压力式液体密封的特点密封过程中充满密封液，螺旋轴操作时，通过螺旋罐中的密封液流动。密封液被压缩，导致液体密封的压力。压力可以在密封溶液的表面产生压力，泵送效应。当密封液在密封工作侧产生的最高压力与被密封介质的压力相等时，被密封介质将不能泄漏，达到完全密封的效果。这种密封形式的优点是液体密封的压力可靠稳定、不瞬变，泵送力变化趋势平稳且呈柔性动态变化。本文设计的旋转轴用液体密封结构如图1所示。2旋转轴用液体密封的理论分析考虑到实际生产环境的复杂多变，密封液在流经密封装置时存在多种流动状态。研究的液体密封中，密封液的原始状态均为层流状态，因此研究处于层流状态下装置的密封效果，对层流状态进行理论分析，可以更加清晰地表达出数学模型应用迭代计算的方法，为研究旋转轴用液体密封提供必要的理论依据。为方便计算和进行建模，需要对液体密封设置初始参数，具体参数如表1所示。3液体密封模拟结果分析3.1液体密封的分析利用Pro/E建立液体密封腔体流场模型，采用FLUENT软件对液体密封进行分析计算。螺旋轴转动螺纹槽内的密封液由于泵送效应会沿着螺纹槽方向流动，因为2段螺纹旋向相反，密封液会向中间聚集，并流入密封腔中，形成一个流体密封环。(1）初始参数a的压力和速度a密封腔体壁压力及密封液流速分布如图2所示，通过图2可以看出，螺旋轴中间靠入口端部分压力最大；由中间到两侧压力逐渐降低，且左侧螺纹部分的压力明显高于右侧，形成了一个可以起到密封作用的液体密封环。经计算，初始参数下的液体密封可以有效阻止压力为0.1MPa的被密封液体泄漏；整个腔体可以分为上、下两部分，上半部分即外壁的密封液流动情况，流速较为缓慢；下半部分是螺旋轴外表面的密封液流动情况，相较于上半部分流速较快，且贴近内壁的密封液流速接近螺旋轴的旋转圆周线速度。由此可以分析出，经过长时间的工作，螺旋轴的螺纹槽位置磨损最为严重。(2）螺纹升角和间隙的关系(1)只对螺纹升角做调整，设置多组数值并进行计算分析。截面的压力选取密封腔体内壁入口处压力值，然后逐一改变螺纹升角的值，分别选取0.5°～4°（间隔0.1°）进行计算，得到液体密封压力的效果与螺纹升角的关系：随着螺纹升角的增大，压力逐渐升高并达到峰值；继续增大螺纹升角，腔体内压力呈现下降的趋势；(2)对螺纹间隙c取多组值（0.1mm、0.2mm、0.3mm等）进行计算，并分析得出液体密封压力的密封效果与螺纹间隙的大小成正相关的关系：随着螺纹间隙的减小，密封效果提升幅度较大；随着螺纹间隙的增大，密封效果逐渐下降，并会趋于一个常数值；(3)保持其他参数不变，只对结构参数螺纹槽深h取多组数值进行计算和分析。在h<1.5mm时，密封效果随着螺纹槽深的增加而提升；当1.5mm≤h≤3.5mm时，对密封效果的影响较小；当h>3.5mm时，密封效果随着螺纹槽深度的增大而提升。(3）转速对于密封效果的影响(1)只对浸液长度L取多组数值进行计算并分析，其他数据保持不变，得到浸液长度对密封压力的影响规律：当L<10mm时，密封效果无法达到预期；当10mm≤L≤18mm时，密封效果随着浸液长度的增加而呈上升趋势；当L>18mm时，密封效果不再提升；(2)只对转速n取多组数值进行计算并分析，其他数据保持不变，得到转速对于密封效果的影响规律：随着转速逐渐升高，液体密封效果逐渐提升，且与转速呈线性关系。通过分析可以得出结果：转速是影响液体密封效果的一个重要因素，因此在选择电机时应尽量选用转速高的，可大幅度改善液体密封的效果。(4）密封液动力黏度的确定(1)只对动力黏度μ取多组数值进行计算并分析，其他数据保持不变，得到动力黏度对密封效果的影响规律：随着动力黏度的增大，密封效果明显增强，而且基本呈线性关系。通过分析所得数据可知，动力黏度是影响液体密封效果的一个重要因素，在实际生产过程中，应尽量选择动力黏度高的密封液；(2)只对密封液密度ρ取多组数值进行计算并分析，保持其他数据不变，得到密封液密度对液体压力的影响规律：随着密封液密度的增大，密封效果呈现增强趋势，但是变化幅度有限，两者近似呈线性关系。由此可以看出密封液密度对于液体密封效果影响较小，在实际的生产过程中可选择密度较大的密封液。3.2螺纹槽及增长浸液的调整依据对各个参数的分析及所得出的结果，对之前所设的初始参数值进行调整，以达到理想的密封效果。螺纹升角由初始值1°改为4°以提升螺旋轴的推进力，螺纹头数由初始值1改为3；螺纹间隙由初始值0.5mm缩减至0.3mm以改善密封效果；增加螺纹槽的深度，由原来的1mm增加至1.8mm；增长浸液长度，由初始值10mm调整为15mm；提高电机的转速，由初始值1000r/min调整至1500r/min。优化后的液体密封参数如表1所示。4优化结果的评估(1）周线作为旋转轴参数调整后的计算模型仍为层流模型，具体参数值见表1中的优化值。将原点设置为起点，腔体的外壁面作为运动面，内壁作为静止面，并以腔体周线作为旋转轴。运动面以1500r/min的转速绕旋转轴做圆周运动，腔体的一端设置为进口，压力为0.101MPa，另一端设置为出口，压力为0.6MPa。(2）变密封装置的密封性能密封腔体截面力学矢量数值如图3所示。通过调整结构参数，在没有改变密封装置整体尺寸的前提下，密封液的流体压力升高了6倍，液体密封环的强度及刚度有了很大改善，极大地提高了液体密封装置的密封性能。速度矢量分布：外壁接近为0，内壁最大，最大值取决于线速度。5液体密封的结构对密封效果的影响通过应用FLUENT仿真软件对液体密封装置内密封液的动态特性进行了计算分析，并得出各个参数与密封效果之间的联系，结果如下：(1）通过调整密封装置的参数，可以获得不同的密封效果。螺纹升角的改变对推进力影响较大，随着螺纹升角的增大，密封效果呈现先升高后降低的趋势；在条件允许的范围内，应尽量减小密封间隙的宽度；螺旋轴的浸液长度会对密封效果造成很大影响，浸液长度过短会降低密封能力甚至使密封失效，选择合适的浸液长度对于液体密封至关重要；增大螺纹槽的深度，会明显提升密封效果；螺旋轴转速与液体密封效果呈正比关系，在非临界转速区，