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技术文章
离心泵密封理论和实验分析
离心泵密封理论和实验分析
从技术上而言.对于离心泵,采用新的密封形式主要有3种途径:
①从填料环的内圈与轴套的外圆周之间的缝隙进人填料函内;
②从填料环的外圈与泵体、泵盖之问的缝隙进人填料函内。根据离心泵的工作原理可知,进人填料函的油料来自叶轮的吸人口或背面,其压强比较低,可能出现负压,而且进油处离填料压盖*远。油通过多圈填料的密封作用之后,压强逐渐下降,容易被密封;
③由离心泵的高压区通过油封进人填料函。这部分油进人填料函分成两部分,一部分向内层渗透进人叶轮,另一部分则沿轴向外,从填料压盖处漏出。
从技术角度而言,通过修改轴封的密封形式,取消全油封结构,消除渗漏,在技术上是可行的。理论上设计油封结构的主要目的是由油带走离心泵在运转时由轴套与填料摩擦所产生的热量,降低承轴的工作温度,同时利用油封环使填料函内侧填料上的压紧应力经圆周方向分布得更加均匀。
通过对无需冷却的密封结构的机械压强进行分析和在CAD仿真系统上比较后,认为可以有针对性地采用螺旋密封与软填料密封组合的密封形式来满足以上要求。
设计原理:通常所称的螺旋密封(即螺纹密封,又称粘滞密封)是利用螺杆泵的工作原理,靠被密封液体的枯滞力产生的压强来封住油料的。当油料从泄漏问隙渗漏时,利用泵轴在旋转时的摩擦力对轴套上螺旋槽内的液体供给能量,使槽内的液体压强增大,以平衡泵内被密封油料的压强,从而消除油料的渗漏。故螺旋密封又属于不完全非接触式动力密封。
轴密封的改进过程是:在泵填料函部位轴套的外表增加一段梯形齿或锯齿形螺纹以及其他形状的外螺纹(如梯形、管螺纹)。外螺纹与泵体之间的间隔尽可能留得小一些。当离心泵在运行时,泵体与轴套之问被充满而起密封作用。当轴与轴套作高速旋转时,螺纹段表面就对枯附的液体施加与转向相反的圆周方向的摩擦力。摩擦力可分解成沿水平方向和垂直方向的2个力。垂直方向的力在垂直面上产生涡流,涡流顺着槽向离心泵内流动,压强不断增大。当轴的转速和油料枯度较大时,水平力逐步增大。当螺纹段有足够的长度时,则槽内液体的压强就会增大到足以与泵内被密封油的压强平衡,使得油料*终无法渗
漏,达到动态平衡的密封效果。在CAD仿真系统上可以看到,螺旋密封在不同的转速范围内会出现某些特有的现象。在一定的压力下,离心泵转速很低时,螺纹产生的流体反压小于密封腔内压强,压差流大于螺纹反输流,密封发生外泄。当提高到某一转速时,就会出现气体被卷人到油料中形成气泡,气液界面的稳定性就被破坏。随着转速进一步提高,螺纹产生的反输流大于密封腔内的压差流,气液界面就会向外延伸,减少了密封充液段的有效长度,就不能形成有效密封,密封液就会从低压端泄漏。针对这种现象,可采取相应的对策:
①可采用梯形齿和三角齿,有效减少形成旋涡,推迟气体卷人过多的发生;
②对于枯度较大的油料,可采用深螺槽;
③降低螺旋密封中的扁心度:
④加大未浸液螺纹长度,推迟密封失效;
⑤在螺杆端口制造平滑壁缝隙,消除螺纹端气液界面。
螺旋密封的优点在于结构简单,轴套与离心泵壳之间无摩擦磨损,能量损耗低,其本身对密封元件的材料要求不高,有较大的选择范围。不足之处在于:这样的密封压力不高,通常在I MPa以下。密封性能的好坏与螺旋套的形式、加工精度、工差配合、离心泵轴的安装质量都有很直接的关系,这种密封是动态密封。若离心泵停止运转,它也就失去了密封性。对此必须增加另外一套轴封措施,以便在停机时仍然能有效工作。它应安装在螺旋轴套的外侧,通过CAD仿真系统分析,可以看到这种密封形式在使用过程中产生较大的轴向力。因此,它在正常运行中对只承受部分轴向力的轴承工况影响很大。通过试验对比模拟,可以认为,这样的密封结构对于应用双吸式离心泵的填料轴封结构是行之有效的。从结果和现场使用情况来看,效果是令人满意的。
对于单吸式离心泵,在轴套上增加螺旋段会改变离心泵轴的受力体系,影响离心泵的正常运转。因此,可以在填料函设计安装一个内圆周矩形带螺纹的密封套,螺纹方向与周转向轴套上的螺纹相反,才有可能达到满意的密封效果。
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原创作者:上海高良泵阀制造有限公司