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        給水泵螺旋密封的結構改進

        2020-10-12

        螺旋密封的間隙內充滿粘性液體。當軸旋轉時,螺旋側壁對粘性流體施加推進力,進行能量交換,使軸的旋轉動能變換成粘性流體的壓力能,獲得一個泵送壓頭。這就是螺旋密封的所謂“泵送效應”。粘性流體的泵送壓頭與介質壓力相平衡,阻止介質漏泄,建立密封狀態 。

        螺旋密封是非接觸型流體動力密封,具有無磨損、壽命長、功耗小、耐雜質、無需冷卻、適用轉速范圍寬等很多優點,被廣泛地應用于多種工業場合。螺旋密封的結構簡單,機理卻很復雜。對于螺旋密封的失效機理、“氣吞”效應機理迄今仍不是十分清楚,還沒有準確有效的控制方法。在實際的應用中,設計者結合使用要求和螺旋密封的特點,采取合理的結構設計,發揮螺旋密封的作用。本文通過某型給水泵的失效螺旋密封結構的改進,較好地實現了高速情況下的螺旋密封的功能,為同行們提供了一個案例,為螺旋密封進一步研究提供了參考資料。

        2 問題的提出

        某型給水泵應用于環境很緊湊的場合,要求給水泵的體積小、重量輕、揚程高。為了實現設計意圖,給水泵采用了較高的轉速,設計轉速達到了n=9680 r/min。按照水泵的相似換算理論,在同樣級數的情況下,轉速提高一倍,尺寸將可減小50% 。如此高轉速,意味著較細的軸和較低的轉子剛度。為了提高轉子的剛度,實現給水泵的可靠運行。在給水泵的結構設計中大幅縮短了轉子的軸向尺寸,以至于給水泵的上軸承的油封結構非常緊湊(如圖1)。

        給水泵為立式結構,采用汽輪機驅動。水泵處的回油包含了汽輪機下軸承潤滑油、鼓形齒聯軸器噴油潤滑油和給水泵的上軸承潤滑油。油封采用了螺桿式螺旋密封的結構,為了適應高轉速,采用了單頭小螺距的形式。

        在給水泵的測試過程中,給水泵的轉速至6500~7 000 r/min,“封油襯套”下端平面處出現成串油珠緩慢隨軸旋轉,并滴狀泄漏(漏油位置見圖1)。隨著轉速的提高,串狀油珠隨軸的旋轉速度加快,泄漏量增加,至最高轉速n=9 680 r/rain時,約3—4 s一滴。轉速降低后,泄漏停止;轉速提高至一定值后,泄漏出現。

        3 原因分析

        根據德國學者布恩太爾提出的螺旋密封計算公式:

        從公式中可以看出,在螺旋結構確定的情況下,其封液能力與轉速成正比,即轉速越高封液能力越高。如果不是螺旋密封失效,在轉速提高的情況下不會出現泄漏。螺旋密封的層流或紊流工況用它的周向雷諾數 判斷, 由下式確定:

        當Re Re 時為紊流。如果封液處于紊流狀態,封液受到螺旋密封的螺桿的劇烈攪拌,容易引起“吸氣”現象發生,嚴重時出現氣液“乳化”現象而使密封失效 J,出現不連續的泄漏。從給水泵的螺旋密封失效現象上看與所謂的“氣吞”現象比較相符。按照結構尺寸計算,轉速按n=9680r/min計算,Re =110.3,Re =797.5,Re

        當凡=9680r/min時,Re =1213.4>Re =797.5;當n=6500r/min時,Re =814.8>Re 。即當給水泵轉速超過6500r/min左右時,螺旋密封進入了紊流工況,出現了失效泄漏,與實際具有一定的吻合度。因此,筆者建議同行進一步驗證,將m 公式(1)改進成公式(3)。通過雷諾數的計算公式的改進,說明了給水泵的螺旋密封確實為“氣吞”現象造成的失效。

        4 改進措施

        盡管“氣吞”效應的機理不是十分清楚,但是通過實踐,技術人員總結了克服“氣吞”的幾種有效措施:

        (1)螺套式螺旋密封可以獲得與螺桿式螺旋

        密封相同的封液能力,還可以減少“吸氣”現象和

        提高“密封破壞”的速度 ;

        (2)降低密封段長度;

        (3)增大密封間隙;

        (4)增加螺紋頭數,能顯著地提高密封失效

        的速度¨ 。

        螺旋密封的螺旋槽全部開在靜止件上,稱之為“螺套式螺旋密封”。螺套式螺旋密封結構中,軸在靜止的螺套中以圓周速度 旋轉時,其間的粘性流體相對于轉軸近似以 .=1/2V的速度旋轉【3 J,速度明顯低于螺桿式密封結構。從雷諾數的計算上就可說明,螺套式結構有利于克服“氣吞”現象。改進后的螺旋密封結構如圖2所示。

        螺旋密封分為兩段,全部開在封油襯套靜止件上,以封油襯套的結構區分,上段為外螺旋,下段為內螺旋,稱之為“組合式螺旋密封”。螺旋密封的參數如下:內外螺旋槽深口=1.5mm、內外螺旋齒頂間隙h=0.35~0.40mm、螺旋頭數i=4、外螺旋段長度L,=18mm、內螺旋段長度L =27mm、外螺旋直徑d=90.5mm、內螺旋直徑d=81.5mm、外螺旋齒寬C=2.5mm、內螺旋齒寬c=3mm。對比原給水泵的螺旋密封,組合式的結構有效降低了單個螺旋密封的密封長度。由于組合式結構具有兩段密封,充分有效地利用了給水泵的緊湊結構,使得實際密封工作長度有所提高。上段的螺旋密封將泵送的封液體向下輸送,浸潤在封液中螺旋密封,直觀上理解,有利于螺旋密封的有效工作。下段的螺旋密封將泵送的封液向上輸送,與上段螺旋密封成串聯工作狀態。下段螺旋密封無封液可泵送時,可輸送一定壓力的空氣,輔助提供上段密封以正壓,有利于密封效果。如果有空氣逸出,則從排氣管中排放。

        兩段螺旋密封均采用矩形槽,因為矩形槽的螺旋密封的封液能力受間隙的影響較小。螺旋密封的間隙由原來的0.15—0.20 inln增大至0.35~0.40mm,提高螺旋密封的工作轉速的同時,也提高了螺旋密封的可靠度。螺紋頭數的增加應結合螺旋槽的尺寸進行計算,以整個螺旋密封封液能力最優為優化條件,保障了螺旋密封的效果。

        5 試驗驗證

        螺旋密封改進后的給水泵安裝在試驗臺架上,開展相應的試驗。針對組合式螺旋密封的效果,開展了變轉速試驗、油壓調節試驗、運轉試驗。變轉速試驗是將給水泵從低轉速一高轉速一低轉速,并進行多次輪回。油壓調節試驗是在油壓許可的范圍內,調節給水泵機組的潤滑油壓力從低壓一高壓一低壓,并進行多次反復調節。油壓調節后,影響到汽輪機下軸承潤滑油量、給水泵上軸承潤滑油量以及聯軸器噴油潤滑油量,即影響到組合式螺旋密封的工作狀況。油壓調節試驗過程中進一步結合變轉速試驗,以充分驗證螺旋密封的可靠性和適應性。運轉試驗是在給水泵規定的5個工況(不同的轉速、流量、揚程等),開展4h或者8h運行試驗,監測機組的運行參數(包含了螺旋密封的泄漏情況),考核組合式螺旋密封的一定的耐久性。臺架試驗表明,給水泵的組合式螺旋密封效果良好,未出現泄漏。

        該型給水泵機組多臺已交付用戶使用,經歷了船上的傾斜、搖擺和多工況運行,歷時8年,運行狀況良好,無任何泄漏。

        試驗及使用表明,給水泵改進的組合式螺旋密封效果較好。

        6 結語

        受到結構的限制,某型給水泵的螺旋密封結構非常緊湊,按照常規設計的螺旋密封出現了“氣吞”現象,導致螺旋密封失效。將原螺旋密封改進為組合式螺旋密封的結構后,降低單個密封段長度、增大密封間隙、增加螺紋頭數,顯著地提高了密封失效的速度。試驗和應用表明,組合式螺旋密封因地制宜地利用緊湊的結構,收到了較好改進效果。文中提出的雷諾數的計算公式和組合式螺旋密封結構為設計者提供了有益的借鑒,為同行們研究“氣吞”效應提供了典型案例。

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