給水泵螺旋密封的結構改進
2020-10-12
螺旋密封的間隙內(nèi)充滿粘性液體。當軸旋轉(zhuǎn)時，螺旋側(cè)壁對粘性流體施加推進力，進行能量交換，使軸的旋轉(zhuǎn)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(zhì)壓力相平衡，阻止介質(zhì)漏泄，建立密封狀態(tài) 。
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(zhì)、無需冷卻、適用轉(zhuǎn)速范圍寬等很多優(yōu)點，被廣泛地應用于多種工業(yè)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(fā)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)設計意圖，給水泵采用了較高的轉(zhuǎn)速，設計轉(zhuǎn)速達到了n=9680 r／min。按照水泵的相似換算理論，在同樣級數(shù)的情況下，轉(zhuǎn)速提高一倍，尺寸將可減小50％ 。如此高轉(zhuǎn)速，意味著較細的軸和較低的轉(zhuǎn)子剛度。為了提高轉(zhuǎn)子的剛度，實現(xiàn)給水泵的可靠運行。在給水泵的結構設計中大幅縮短了轉(zhuǎn)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(qū)動。水泵處的回油包含了汽輪機下軸承潤滑油、鼓形齒聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速至6500～7 000 r／min，“封油襯套”下端平面處出現(xiàn)成串油珠緩慢隨軸旋轉(zhuǎn)，并滴狀泄漏(漏油位置見圖1)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，串狀油珠隨軸的旋轉(zhuǎn)速度加快，泄漏量增加，至最高轉(zhuǎn)速n=9 680 r／rain時，約3—4 s一滴。轉(zhuǎn)速降低后，泄漏停止；轉(zhuǎn)速提高至一定值后，泄漏出現(xiàn)。
3 原因分析
根據(jù)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(zhuǎn)速成正比，即轉(zhuǎn)速越高封液能力越高。如果不是螺旋密封失效，在轉(zhuǎn)速提高的情況下不會出現(xiàn)泄漏。螺旋密封的層流或紊流工況用它的周向雷諾數(shù) 判斷， 由下式確定：
當Re Re 時為紊流。如果封液處于紊流狀態(tài)，封液受到螺旋密封的螺桿的劇烈攪拌，容易引起“吸氣”現(xiàn)象發(fā)生，嚴重時出現(xiàn)氣液“乳化”現(xiàn)象而使密封失效 J，出現(xiàn)不連續(xù)的泄漏。從給水泵的螺旋密封失效現(xiàn)象上看與所謂的“氣吞”現(xiàn)象比較相符。按照結構尺寸計算，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速超過6500r／min左右時，螺旋密封進入了紊流工況，出現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)，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(zhuǎn)時，其間的粘性流體相對于轉(zhuǎn)軸近似以 ．=1／2V的速度旋轉(zhuǎn)【3 J，速度明顯低于螺桿式密封結構。從雷諾數(shù)的計算上就可說明，螺套式結構有利于克服“氣吞”現(xiàn)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(qū)分，上段為外螺旋，下段為內(nèi)螺旋，稱之為“組合式螺旋密封”。螺旋密封的參數(shù)如下：內(nèi)外螺旋槽深口=1．5mm、內(nèi)外螺旋齒頂間隙h=0．35～0．40mm、螺旋頭數(shù)i=4、外螺旋段長度L，=18mm、內(nèi)螺旋段長度L =27mm、外螺旋直徑d=90．5mm、內(nèi)螺旋直徑d=81．5mm、外螺旋齒寬C=2．5mm、內(nèi)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(lián)工作狀態(tài)。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(zhuǎn)速的同時，也提高了螺旋密封的可靠度。螺紋頭數(shù)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(yōu)為優(yōu)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(zhuǎn)速試驗、油壓調(diào)節(jié)試驗、運轉(zhuǎn)試驗。變轉(zhuǎn)速試驗是將給水泵從低轉(zhuǎn)速一高轉(zhuǎn)速一低轉(zhuǎn)速，并進行多次輪回。油壓調(diào)節(jié)試驗是在油壓許可的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)。油壓調(diào)節(jié)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(lián)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(diào)節(jié)試驗過程中進一步結合變轉(zhuǎn)速試驗，以充分驗證螺旋密封的可靠性和適應性。運轉(zhuǎn)試驗是在給水泵規(guī)定的5個工況(不同的轉(zhuǎn)速、流量、揚程等)，開展4h或者8h運行試驗，監(jiān)測機組的運行參數(shù)(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(xiàn)泄漏。
該型給水泵機組多臺已交付用戶使用，經(jīng)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(guī)設計的螺旋密封出現(xiàn)了“氣吞”現(xiàn)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(shù)，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(shù)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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