给水泵螺旋密封的结构改进
2020-10-12
螺旋密封的间隙内充满粘性液体。当轴旋转时，螺旋侧壁对粘性流体施加推进力，进行能量交换，使轴的旋转动能变换成粘性流体的压力能，获得一个泵送压头。这就是螺旋密封的所谓“泵送效应”。粘性流体的泵送压头与介质压力相平衡，阻止介质漏泄，建立密封状态 。
螺旋密封是非接触型流体动力密封，具有无磨损、寿命长、功耗小、耐杂质、无需冷却、适用转速范围宽等很多优点，被广泛地应用于多种工业场合。螺旋密封的结构简单，机理却很复杂。对于螺旋密封的失效机理、“气吞”效应机理迄今仍不是十分清楚，还没有准确有效的控制方法。在实际的应用中，设计者结合使用要求和螺旋密封的特点，采取合理的结构设计，发挥螺旋密封的作用。本文通过某型给水泵的失效螺旋密封结构的改进，较好地实现了高速情况下的螺旋密封的功能，为同行们提供了一个案例，为螺旋密封进一步研究提供了参考资料。
2 问题的提出
某型给水泵应用于环境很紧凑的场合，要求给水泵的体积小、重量轻、扬程高。为了实现设计意图，给水泵采用了较高的转速，设计转速达到了n=9680 r／min。按照水泵的相似换算理论，在同样级数的情况下，转速提高一倍，尺寸将可减小50％ 。如此高转速，意味着较细的轴和较低的转子刚度。为了提高转子的刚度，实现给水泵的可靠运行。在给水泵的结构设计中大幅缩短了转子的轴向尺寸，以至于给水泵的上轴承的油封结构非常紧凑(如图1)。
给水泵为立式结构，采用汽轮机驱动。水泵处的回油包含了汽轮机下轴承润滑油、鼓形齿联轴器喷油润滑油和给水泵的上轴承润滑油。油封采用了螺杆式螺旋密封的结构，为了适应高转速，采用了单头小螺距的形式。
在给水泵的测试过程中，给水泵的转速至6500～7 000 r／min，“封油衬套”下端平面处出现成串油珠缓慢随轴旋转，并滴状泄漏(漏油位置见图1)。随着转速的提高，串状油珠随轴的旋转速度加快，泄漏量增加，至最高转速n=9 680 r／rain时，约3—4 s一滴。转速降低后，泄漏停止；转速提高至一定值后，泄漏出现。
3 原因分析
根据德国学者布恩太尔提出的螺旋密封计算公式：
从公式中可以看出，在螺旋结构确定的情况下，其封液能力与转速成正比，即转速越高封液能力越高。如果不是螺旋密封失效，在转速提高的情况下不会出现泄漏。螺旋密封的层流或紊流工况用它的周向雷诺数 判断， 由下式确定：
当Re Re 时为紊流。如果封液处于紊流状态，封液受到螺旋密封的螺杆的剧烈搅拌，容易引起“吸气”现象发生，严重时出现气液“乳化”现象而使密封失效 J，出现不连续的泄漏。从给水泵的螺旋密封失效现象上看与所谓的“气吞”现象比较相符。按照结构尺寸计算，转速按n=9680r／min计算，Re =110．3，Re =797．5，Re
当凡=9680r／min时，Re =1213．4>Re =797．5；当n=6500r／min时，Re =814．8>Re 。即当给水泵转速超过6500r／min左右时，螺旋密封进入了紊流工况，出现了失效泄漏，与实际具有一定的吻合度。因此，笔者建议同行进一步验证，将m 公式(1)改进成公式(3)。通过雷诺数的计算公式的改进，说明了给水泵的螺旋密封确实为“气吞”现象造成的失效。
4 改进措施
尽管“气吞”效应的机理不是十分清楚，但是通过实践，技术人员总结了克服“气吞”的几种有效措施：
(1)螺套式螺旋密封可以获得与螺杆式螺旋
密封相同的封液能力，还可以减少“吸气”现象和
提高“密封破坏”的速度 ；
(2)降低密封段长度；
(3)增大密封间隙；
(4)增加螺纹头数，能显著地提高密封失效
的速度¨ 。
螺旋密封的螺旋槽全部开在静止件上，称之为“螺套式螺旋密封”。螺套式螺旋密封结构中，轴在静止的螺套中以圆周速度 旋转时，其间的粘性流体相对于转轴近似以 ．=1／2V的速度旋转【3 J，速度明显低于螺杆式密封结构。从雷诺数的计算上就可说明，螺套式结构有利于克服“气吞”现象。改进后的螺旋密封结构如图2所示。
螺旋密封分为两段，全部开在封油衬套静止件上，以封油衬套的结构区分，上段为外螺旋，下段为内螺旋，称之为“组合式螺旋密封”。螺旋密封的参数如下：内外螺旋槽深口=1．5mm、内外螺旋齿顶间隙h=0．35～0．40mm、螺旋头数i=4、外螺旋段长度L，=18mm、内螺旋段长度L =27mm、外螺旋直径d=90．5mm、内螺旋直径d=81．5mm、外螺旋齿宽C=2．5mm、内螺旋齿宽c=3mm。对比原给水泵的螺旋密封，组合式的结构有效降低了单个螺旋密封的密封长度。由于组合式结构具有两段密封，充分有效地利用了给水泵的紧凑结构，使得实际密封工作长度有所提高。上段的螺旋密封将泵送的封液体向下输送，浸润在封液中螺旋密封，直观上理解，有利于螺旋密封的有效工作。下段的螺旋密封将泵送的封液向上输送，与上段螺旋密封成串联工作状态。下段螺旋密封无封液可泵送时，可输送一定压力的空气，辅助提供上段密封以正压，有利于密封效果。如果有空气逸出，则从排气管中排放。
两段螺旋密封均采用矩形槽，因为矩形槽的螺旋密封的封液能力受间隙的影响较小。螺旋密封的间隙由原来的0．15—0．20 inln增大至0．35～0．40mm，提高螺旋密封的工作转速的同时，也提高了螺旋密封的可靠度。螺纹头数的增加应结合螺旋槽的尺寸进行计算，以整个螺旋密封封液能力最优为优化条件，保障了螺旋密封的效果。
5 试验验证
螺旋密封改进后的给水泵安装在试验台架上，开展相应的试验。针对组合式螺旋密封的效果，开展了变转速试验、油压调节试验、运转试验。变转速试验是将给水泵从低转速一高转速一低转速，并进行多次轮回。油压调节试验是在油压许可的范围内，调节给水泵机组的润滑油压力从低压一高压一低压，并进行多次反复调节。油压调节后，影响到汽轮机下轴承润滑油量、给水泵上轴承润滑油量以及联轴器喷油润滑油量，即影响到组合式螺旋密封的工作状况。油压调节试验过程中进一步结合变转速试验，以充分验证螺旋密封的可靠性和适应性。运转试验是在给水泵规定的5个工况(不同的转速、流量、扬程等)，开展4h或者8h运行试验，监测机组的运行参数(包含了螺旋密封的泄漏情况)，考核组合式螺旋密封的一定的耐久性。台架试验表明，给水泵的组合式螺旋密封效果良好，未出现泄漏。
该型给水泵机组多台已交付用户使用，经历了船上的倾斜、摇摆和多工况运行，历时8年，运行状况良好，无任何泄漏。
试验及使用表明，给水泵改进的组合式螺旋密封效果较好。
6 结语
受到结构的限制，某型给水泵的螺旋密封结构非常紧凑，按照常规设计的螺旋密封出现了“气吞”现象，导致螺旋密封失效。将原螺旋密封改进为组合式螺旋密封的结构后，降低单个密封段长度、增大密封间隙、增加螺纹头数，显著地提高了密封失效的速度。试验和应用表明，组合式螺旋密封因地制宜地利用紧凑的结构，收到了较好改进效果。文中提出的雷诺数的计算公式和组合式螺旋密封结构为设计者提供了有益的借鉴，为同行们研究“气吞”效应提供了典型案例。
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