螺套式螺旋密封的开发与设计

典沁汤又了浅、衬浦斤卜八‘划几喃而亏奋齐奋而、奋、几刀百、了两‘西‘二补污二西心奋币几‘奋矛抓不万又夕花又了污端两幼浦屯二花沁乙、又饰屯介杯另、又兀又二队二伟布螺套式螺旋密封的开发与设计叉丫眨乙、侧侧二,艺生叹乙乏夕二,哎抓塑主侧、少性女少,绝交叨赵皿狱立恻全贝己夕艺泛丫二全夕二生又乙乡忆丛达巧泛丛迎竺竺刀义仓二丝叮夕艺全‘比立暇二嵘二色夕艺巧巡生艾二立夕之立曳二岁处岁艺多四几又乡乙乡左叹二乡郑州工学院周志安本文从工程设讨‘歹应用的角度,对螺套式螺旋密封的封液能力进行了叭扮,全,到二立相应的理沦计算公式,并通过优化,确,二了州旋的足住几何参数。分析丧明,呼套式螺旋密封不川可以胆妙果汗式螺旋密封同样的封液能力,而以还可以改苦密封性能,具有实用价值。螺旋密封是一种“韭接触型”流体动力密封,它是近几十年发展起来的一种新型转轴密封结构。其型式是在密封部位的轴或孔的表面上或同时在两者上夕切出螺旋槽,若螺旋槽开在转轴上,则为螺杆式螺旋密封,这是目前常用的一种型式,若螺旋槽开在孔仁,则为螺套式螺旋密封。不论是那种型式的螺旋密封,它们都能消除引起介质泄漏的压差,可以做到无泄漏,而且工作时无磨损、寿命长,特别适用于含磨粒等条件苛刻的介质密封。近年来,国内首先在原子能、空间装置等尖端领域中成功地应用了螺旋密封,进而推广到一般技术领域的油泵、酸碱泵等“’。然而,问题是目前人们对这种新型密封的实际封液能力尚未确切掌握,其理论研究也仅局限于螺杆式螺旋密封,而对螺套式螺旋密封的理论和应用研究甚少·以致有迪适于采批螺旋密封、但又不允许在转轴卜开螺旋槽的爹备无法正确使用和准广这种密封型式。殊不知,在袄封条件相同的情况下,采用螺套式螺旋析封更有利,囚为它不仅可以获得与螺杆式螺旋密封同样的封液能力,而且还可以改善只封性能,具有实用价值。因此,本文从工程应用的角度,对螺套式螺旋衍封的封液能力进行了理论探讨。建立了相应的理论计算公式,并通过优化,确足了螺旋泊最佳几何参数,以适应工程设计和应用的需要。图螺杆式螺旋密封简图螺杆式螺旋密封的封液能力是指螺旋槽对粘性流体的泵送作用所产生的密封压头,该压头若能与被密封流体的泄漏压头相平衡,便能阻止泄漏。因此,如何准确可靠地计算螺旋密封的封液能力是实现密封的关键,也是口前螺旋密封理论研究的一项重要课题。多年来,国内外许多学者对螺杆式螺旋密封的封液能力进行了探入研究井提出了多种型式的封液能力理冷公少兮其中以布恩一太尔一“,和克里斯〔’提出的理论公式最具代表性,应用较普遍。但它们都具有一定局限性,用于工程设计,往往与实测出的结果差距较大〔,,为此,笔者对克里斯式产生的误差原因进行了分析,并对螺旋槽内液体的泵送速度分布模型进行了改进,提出了实用性较强的新的封液能力公式。即图为螺杆式螺旋密封简图。其封液能力刀八口环乙式中—半径间隙,—螺旋直径,—螺旋工作长度,犷—螺旋轴的圆周速度拜—密封液体的动力粘度,挥一一密封系数,在层流工况下,其值只与式中,为螺旋相对槽宽,一,为轴向槽宽,为轴向齿宽为螺旋相对槽深,人凡一‘’一为半径间隙一为槽深为螺旋角。于密封两端压差引起的泄漏流动黝山士螺套中轴的旋转及介质粘性而产生的泵送流动。密封的机理就是这两种流量的平衡,即在不考虑流量损失的情况下,当泵送流量尸与泄漏流量吼相等时,便可实现密封,这是一种理想的情况。’欠际上,在密封装置中还存在着土述两种流动而引起的横向流,它们将造成流量损失。因此,严格地二沦。“流最平衡”应当是泵送流量、泄漏流最和流量损失三者之和等于零。本文就是基于这种观点来建立在层流工况下螺套式螺旋密封封液能力的理论计算式。泵送流动是螺旋槽中的古埃特流动,,当轴在静止的螺套中以圆周速度厂旋转时,其间的粘性流体相对于转轴近犷‘、、,,、、,,、似以一玄一的速度旋转〔,·该速度犷二沿螺旋槽方向的分量犷‘即为泵送速度。其位为螺套式螺旋密封的封液能力如图所示,矩形螺旋槽开在静止的壳体或衬套上,它与转轴之间构成螺套式螺旋密封。在这种密封装置中,主要存在两种流动由一厂,。二誓。为了实现密封,必须使泵送流动的方向与槽中由于压差而引起的泄漏流动方向解反,这可通过正确选择螺旋的旋向和轴的转向来确定。因此,在螺旋槽中沿螺旋槽方向的流量应为泵送流最和泄漏流量的叠加,即」,,一二式中泵送流量可根据泵送速度厂‘和螺旋槽的通流面积且‘计算。即一。、,一丫。、一一。。乙而密封两端压差引起的沿螺旋秘的泄漏流旱,一可按通过缝隙一般流动公式计劝一,即助只侧一川同丰子,在螺台香加为“’尸,赵,几山存在两种流动。不飞一日称流最的一口一厂广一产‘弓了,,孙为螺旋槽的法向宽度·二为螺旋槽或螺台的,为螺台的法长度,会为压土一一螺介畔旋密州卜长,简国式中,向宽度,力梯庵,“为液体动力粘度犷为转袖的圆周一一速度。螺旋密封装置中的流量损失主要是由于上述两种流动所引起的横向流而造成的。如图所示,在与螺旋槽垂直的方向上,存在速二二,,,,,、二,犷度分量犷“,其值为犷“一,,份“,,一甲匕’‘以沙’‘,一一“’因此产生穿过螺台的横向流动,显然,它是由泵送流动引起的,这也是一种古埃特流动。在图中所示的螺纹的末端长度。一上,由于尸。侧的螺台是敞开着的,故在此部分的横向流动会造成流量损失,其值为了,吼一犷“凡一穿汽凡“此外,鬓在螺旋密封的两侧为恒定的内压尸,或尸。,而螺纹区内的液体压力是呈线性变化的,两者之间存在压力差,因此,在图所示的螺纹的始端和末端的长度又上,液体也将产生横向流动溢出螺台,造成流虽损失。这部分流量损失,可按文仁〕推荐的公式计算,但笔者认为按该式计算欠妥,实际上只需考虑螺纹的末端长度内的压差引起的泄漏量即可,即尸、,‘尸求爵“声‘了一那‘二尽‘一因此,对仃一条螺旋而言包括螺槽和螺台,通过的总流量应为土述各种流量的叠加,即、一一按图所示的几何关系有,,!二万于是有刹才十“尸,召犷口—二不一“尸,一拼厂“仁才拼」“,经整理简化为犷妙尸拜“!∀#∃%%#&∋%()根据“流量平衡”观点,口二O,由此可得:尸,=6拼VL。!(1十劲3tg。+会(书)3tg。+(Ch(13)etga(a+b)2/2ba为一了便于与螺杆式螺旋密封的封液能力进行比较及优化,通常、!!用tlI对,宽Kl一‘沈一。:。相对槽深KZ二人仑c将(13)式变换为:。环FL2产;二—牙福死一一示一七自l二厂L八6(K:一1)1一K,〕(14)令式中t墓“十-天户‘g“+2瓦(1一瓦)ha6(KZ一1)K爹tga+1一KKt1tga+玄元、(丁二兀不萝万(15)C为密封系数,而(14)式即为本文根据“流量平衡”观点导出的在层流工况下螺套式螺旋密封封液能力的理论计算式。螺套式螺旋密封封液能力的优化螺旋密封封液能力的优化设计,就是在一定的约束条件下,通过选择合适的螺旋几何参数,使单位螺旋长度上的封液能力达到最大值,为此,需建立优化目标的目标函数和选择最优化的一计算方法,应用计算机求解目标函数。由(14)式可知,在介质粘度月,周速厂和密封间隙C一定时,欲使单位螺旋长度上的封液能力达到最大值,则密封系数G,应取最大值。为此,在优化设计中,应以G,.最大作为主要追求的目标,故其目标函数为:6(KZ一i)(16)K孟tga十1一KlK;tga+ZK,(z一付工)tga上式反映了密封系数G,和螺旋几何参数KI、KZ、a之间的函数关系,通过优化KI、KZ和a这三个设计变量,就可获得G、的最大值,从而达到求优的目的。为了便于利用通用优化程序计算,可将目标函数式(16)变换成倒数形式,即:K誉f(,、=一主一=_{Grtga+1一KlK王tga+一2天八一I一二天飞)--王g云6(K:一1)(17)易万坦冷结只”七钾杯一”这样,我们只需求得目标函数f(幼的最小值,即可获得G,.的最大值,同样能达到求优的目的。目标函数建立后,还需确定设计变量K,、K:、a的约束条件,对于本文所建立的目标函数,只需确定边界约束条件,即只需确定设计变量K,、KZ、a的取值范围,以保证在所选定的取值范围内能获得最优值。笔者通过理论分析并参考有关文献推荐设计变量K,、KZ、a1均取值范围如下:0.4簇K,IJ3(KZ簇P(18)7。(a簇20。}求解f(x)最小值的目标函数式(17)及设计变量K,、KZ、a的边界约束条件(18)式一道,构成了一个三维有边界约束的优化设计命题,它可利用计算机求解。本文采用适应性强、计算方便的直接法—变量轮换法L“,求解目标函数的最优值。在参考已有资料的基础上,笔者用BASIC语言编写了一个螺旋密封封液能力优化设计的通用计算程序(略),并在WANAN机上调试通过。本程序通用性好,欲求其它目标函数最优值时,只需修改表示目标函数的语句和输入数据即可,其程序框图如图3所示。使用本程序时,应输入下列数据。lyl3变量轮换法程序框图刀—目标函数的维数(本例N=3)E—精度(本例取E=0.00001)A(I、—第I维变量的初始区间的起点(本例A(1)=0.4,A(2)=3,A(3)=0.12217)B(l)—第I维变量的初始区间的终点(本例B(1)=l,B(2)=9,B(3)=0.34907)一45一丫。、J)-一初始点的第I准坐标(本例万。(1)/0.5,刃。(2)=5,尤。(3)=0.22307)本例计舜机计算及打印结果:参数为:K;二0.5130823托。一3.325735-a二0.2274523(即a=13.032“)儿点结论及说明1=万一=U厂丈}(工)8029636{(!)忙飞。生李毛(}.毛22只07150。34907X(1)0.臼308口只3.3t线73冬0.2274弓28即利用本程序求优所获得的矩形螺旋最佳儿何1.通过分析比较表明(表1),在丫封条件相卜4的情况下,螺套式螺旋密封可以获得与螺杆式螺旋川封同样的封浓能力。而且,采用螺套式螺旋密封还可以减小“吸气”现象和提高“密封破坏”速度〔3〕,有刊于提高高速下螺旋密封的稳定性,获得更好的密封效果。表1不同封液能力公式的计算值与实测值比较【’]介介质质轴封封实测密封压差差按〔)rease式计算算按本文螺什;一认若)旋岔岔封封封封封封封液能力公式(l)))计计计计计计弃弃水水水分书书0。023、0.027770。0146660,01888833333铃铃0。009990.0037770.00吓11144444作作0。018~0。020000。0079990.0107773K一9型泵2.本文编制的螺套式螺旋淤封封液l能力优化设计通用程序,对确定矩形螺旋的主要几何参数提供f最佳选择,为正确进行螺套式螺旋密封结构设一计和工程应用提供了理论依据。3.理论分析表明文〔7〕,在密封条件相同的情况下,不同截面形状的螺套式螺旋裕封的封液能力不同,二角形螺旋密封的封液能力尸,,,大于矩形螺旋甘封的封液能力,因此,笔者推荐优先采用三角渗螺旋密封。4.喋旋密封的封液能力,受泵送液体的粘度影响很大,对于密封压差较高而被密封液体的粘度义较低时,一单独使用螺旋密封往往达不川封液能力的要求,在这种情况卜,建议采用背叶片一螺旋,组合密封结构L“〕。这种组合密封,既可充分利用背叶片密封的离心力效应增大密封能力,卜刁时又能保持螺旋密封在变工况下操作时密封性能稳定的优点。参考文献t.李德锡,Y型泵的螺旋密封化工炼油机械,川引(助,蛇、5咒2.BoonE.F.,‘l、a{5.E.,Hydr一;dynamioSoatfo,rotatingShafts,ChemioIng.ouiour一叹、。c}In三l:Vol只INo.3,[9契,‘泊几、引见3.六.B.克里斯。螺旋密封简单的孙沦iIl设计力法及其主要实际使用限,_水泵技术,{98名咬幻,韶入泊4.周志安等,螺旋密封封液能力及其优化}匕工装务技术,1991(5),1、8弓.戴国兴,泵用螺旋密封的应用试验与理论探讨,水泵于支术,1981(2),2一~兰{弓6.!}吹永泉,流体动密封,石油大学出版社,1()9。7.V。,,]〕r,切.1扩r6ss。丁,UntersuehungVo刀匕ewi,ldewellendiehtu