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螺旋密封结构设计应注意几个问题

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:506
分类号:ht 136文献标识码:a
文章编号:1000-7466(2000)02-0016-03
problems in the construction design of screw seals
zhao zhen-wen
(beijing university of chemical technology, beijing 100029, china)
han guo-jun
(beijing union university, beijing 100101, china)
zhu yi-zheng
(beijing university of chemical technology, beijing 100029, china)
abstract:based on analyss and research on a lot of r efe rences,the influences of deviation, end effect and gas ingestion upon screw sea ls' performance are introduced, and the measures applied to eliminate or decreas e the influences are put forward.
key words:screw seal;deviation;end effect;gas ingestion;fa ilure▲
螺旋密封分单螺旋密封(图1)和双螺旋密封(图2),均属于非接触式动力密封。具有结构简单、工作时主要零部件不直接接触及摩擦磨损小等优点,在工业上有着广泛的用途。特别是双螺旋密封在高转速下可以产生很大的密封力,进而达到零泄漏,这是任何其它非接触式密封所不可替代的。然而,合理的结构设计是螺旋密封发挥作用的前提条件。多年来,我们就螺旋密封的结构设计问题进行了研究,积累了一些经验,愿为同行们提供一些参考资料。

图1 单螺旋密封

图2 双螺旋密封
1 偏心影响
由于制造和安装上的偏差,静子和转子的间隙总是不均匀的,因此运转时就会出现偏心,偏心会导致螺旋密封能力下降。对单螺旋密封,在层流工况下,理论分析得到的密封能力在最大偏心时降低约50%,紊流工况下的影响稍小。对双螺旋密封,由于其工作原理建立在紊流理论基础上,因此其密封能力受偏心的影响较小[1]。
为克服和减小偏心影响,除在制造和安装上要有尽可能高的精度外,可采用弹性安装转子,使其在转动中有自动对中的能力,能有效地降低偏心影响。此外,使用浮动转子密封不仅可以完全消除偏心,还可以进一步减小密封间隙,提高密封能力。
2 端部效应
在实验中发现,对于螺旋槽直接通向密封腔的螺旋密封,密封高压端部有1小段长度密封失效,这种现象被称为端部效应。有关文献提出[3,4],该失效长度约为0.304~1.340cm,它的大小在螺旋密封长度设计中是不容忽视的。按文献[5]的分析,该失效长度大约等于槽的轴向宽度bg。因此,有效螺旋密封长度可用这样一个系数cl=(1-bg/l)予以修正。即有效螺旋密封长度:
l有效=l(1-bg/l)
消除这种端部影响的方法是在高压端部制成一隔环,阻断螺旋槽与密封腔的直接连通。图3是轴速为2000r/min,有隔环(密封腔压力0.325mpa)和无隔环(密封腔压力0.303mpa)时螺旋密封的轴向压力分布图。

图3 有隔环和无隔环的轴向压力梯度图
另外,实验表明,在雷诺数为50~300时,速度变化对端部失效长度的影响不大。
3 密封失效和气吞效应
实验表明,当轴速超过某一定值后,即使按有效密封长度进行设计,仍有缓慢泄漏,这种现象被称为密封失效。密封失效现象首先由mcgrewjm和mchugjd提出[6]。事实上,它是一种二次泄漏。不久,stairwk等又提出了螺旋密封的另一种现象,即低压端气体进入螺旋密封内,与被密封的液体在一环形空间内混合,形成气-液交界面,它被称为气吞[7]。随着该交界面向密封腔内部的移动,密封能力将显著下降。密封失效和端部效应两者都是螺旋密封设计中必须解决的重要问题。否则,螺旋密封将不能正常工作,失去其应有的优良性能。
密封失效和气吞效应的机理迄今仍不十分清楚,所以尚不能提出有效控制方法。文献[7]根据实验观察,定性地解释了两者发生的条件,有助于研究者思考。图4表示了轴速对密封性能的限制,表明在某一固定的密封压力下,速度由0逐步增大时密封性能发生的变化。

图4 速度对密封性能的影响
速度由0(p)增加到q的过程中,螺旋转子所产生的泵送力不足以抵消密封腔内的压力,故为稳定泄漏。在q点上,泄漏停止。从q点到s点,气-液交界面逐步移向密封高压端,充满介质部分内的压力随之下降。它的压力降低程度近似地与气-液交界面所在的位置成正比关系。气-液交界面的形状见图5。形成这种形状的原因是由于螺纹棱的推斥和螺旋槽的牵引作用所致。在低速下,液体可以完全充满间隙,但是达到由层流到紊流过渡的速度时,液体与气体开始混合不清,出现了所谓的气吞。由r点到s点,由于气吞影响,出现了缓慢的气体向内泄漏现象,由于气-液混合后的粘度和密度下降,从而减小了轴向压力梯度。在s点发生再次泄漏,出现了所谓的密封失效。图4还表明了由p点到q点泄漏率降低很快,而stair还观察到,泄漏率时而稳定,时而跳动,而密封的压力梯度也随之或多或少地迅速跳跃。

图5 密封内的气-液界面形状
在设计中应该注意气吞开始发生的条件。对于粘滞密封,文献[8]~[9]中提出了下列限制措施:①层流工况中的气吞并不显著,推荐使用浮动密封,在rec<100的条件下可以保证避免气吞的发生。②对于螺旋转子的动力密封,当密封介质为水,气吞开始的雷诺数由3000逐渐下降到1350时,轴向螺纹宽度由13.7mm减小到3.4mm。③偏心运转加强了气吞效应,可能降低出现气吞的起始速度。④静子上开螺旋槽比转子上开槽可以减小气吞效应。
由此可见,为了使气体向内泄漏减到最小程度,建议使用螺旋静子,宽槽的浮动密封,操作雷诺数不宜超过200。
对于双螺旋密封,间隙内的介质流动呈紊流状态,气吞效应更加严重,因此,设计上必须给予充分的重视。但因目前发表的文献资料极少,具体的建议尚提不出来。
对于密封失效的机理虽尚不十分清楚,但若干实验研究的结论对设计者们却很有益处。①密封段愈长者,密封失效愈快。②间隙愈大,失效时间越短。③增加螺纹头数,能显著地提高密封失效的速度。④表面张力是一个重要的影响因素,密封失效的速度随表面张力的增加而增大。介质粘度的影响不甚显著,一般说粘度大的介质可以提高密封失效的速度。只有浮动密封表现为降低,这可能是偏心的原因。⑤振动使密封失效和气吞效应加大。采用阻漏环和在螺旋表面增加光滑段的方法[10],可以有效克服密封失效和气吞效应。
对于卧式单螺旋密封安装防漏环,其结构见图6。环的内径d1必须小于螺旋轴的底部d2。从气-液交界面漏出的液体由于转动作用被收集到套筒的底部。在无防漏环的情况下,液体将漏出外部环境。防漏环可以阻挡漏出的液体不致溢出其内边缘。这是因为泄漏液体一旦到达螺旋出口处(图6的b点),即被螺旋体立刻泵送回到密封间隙中的主液流中去。所以泄漏液面永久不会达到防漏环内边沿的出口处,从而起到防漏作用。

图6 卧式单螺旋密封安装的防漏环
对于立式单螺旋密封,将密封出口浸于油槽内,同样可以消除2次泄漏[11,12]。
对于双螺旋密封(一般是轴和套的螺纹方向相反),在其中间设有光滑段,可以认为是一个阻止介质泄漏的隔墙。实验表明,光滑段的长度不宜小于20mm。最重要的一点是光滑段直径不应小于螺旋体的外径,至少应相等,否则将降低其效果。
(王编)■
作者简介:赵振文(1963-),男(汉族),北京人,毕业于北京化工大学,工程师,研究方向为化工机械。
作者单位:赵振文(北京化工大学, 北京 100029)
韩国军(北京联合大学, 北京 100101)
朱毅征(北京化工大学, 北京 100029)
参考文献:
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