迷宮螺旋密封及其在磁力攪拌器上的試驗(yàn)研究

李新勇，尹新權(quán)，楊昀梓，張永興

（1．蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050；2．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

迷宮螺旋密封及其在磁力攪拌器上的試驗(yàn)研究

李新勇1，尹新權(quán)1，楊昀梓1，張永興2

（1．蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050；2．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

迷宮螺旋密封在解決高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、含顆粒介質(zhì)等苛刻條件下的密封問題具有獨(dú)特優(yōu)勢。介紹了常用矩形、梯形、三角形螺旋槽形狀迷宮螺旋密封的結(jié)構(gòu)及原理。結(jié)合某型磁力攪拌器的實(shí)際工況，選擇三角形迷宮螺旋組合密封對其原有水壓密封進(jìn)行改進(jìn)及試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的密封裝置具有良好的密封效果，且不受外部供水環(huán)境影響，可節(jié)省水源，對使用環(huán)境適應(yīng)性好，推廣應(yīng)用范圍廣闊。

迷宮螺旋密封；改進(jìn)；磁力攪拌器；試驗(yàn)研究

迷宮螺旋密封是在單螺旋密封的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型徑向非接觸式動力密封裝置，由1對加工有相反方向螺紋的螺旋軸和套組成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、工作性能可靠、壽命長，對解決高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、含顆粒介質(zhì)等苛刻條件下的密封問題具有獨(dú)特優(yōu)勢。但由于其密封壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，在停車時(shí)完全喪失了密封能力，故工作時(shí)需要配備停車密封裝置，同時(shí)迷宮螺旋密封的密封壓力都很小，只有0．1～0．9 MPa［1］。

本文考慮迷宮螺旋密封的應(yīng)用范圍及其特點(diǎn)，針對某型磁力攪拌裝置被密封介質(zhì)壓力約為0．3 MPa的實(shí)際工況，對其原有水壓密封結(jié)構(gòu)作出改進(jìn)，改進(jìn)后裝置通過試驗(yàn)應(yīng)用，取得了良好的密封效果。

1 技術(shù)分析

1．1 結(jié)構(gòu)組成

迷宮螺旋密封是在螺桿軸和襯套上分別開螺紋，襯套上的螺紋旋向與螺桿上的螺紋旋向相反。從現(xiàn)有資料可以看出，選用螺旋槽的迷宮螺旋密封具體結(jié)構(gòu)形式有矩形、梯形、三角形等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常用迷宮螺旋密封結(jié)構(gòu)

迷宮螺旋密封一般由1個(gè)多頭內(nèi)螺紋的螺套定子和1個(gè)多頭外螺紋的螺桿轉(zhuǎn)子構(gòu)成。密封介質(zhì)位于軸兩齒面和套筒兩齒面所圍成的若干個(gè)“蜂窩”狀的工作空間內(nèi)。

1．2 工作原理

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)子逆其自身螺旋方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)子螺旋槽對槽中液體作用力一方面推動液體克服摩擦力作圓周運(yùn)動，另一方面還推動液體沿軸向前進(jìn)；與此同時(shí)，螺套定子螺紋對自身槽中的液體也有同樣作用。螺桿轉(zhuǎn)子和螺套定子對液體的總軸向推力就形成了迷宮螺旋體的“泵送壓力”。高壓側(cè)流體在壓差的作用下，順著螺桿和螺套組成的螺旋槽間隙流動，形成壓差流，即流量。當(dāng)泵送流等于壓差流時(shí)，迷宮螺旋組件對系統(tǒng)起到密封作用；當(dāng)泵送流大于壓差流時(shí)，迷宮螺旋組件相當(dāng)于1臺泵。

2 試驗(yàn)分析

2．1 結(jié)構(gòu)選型

矩形、梯形、三角形等迷宮螺旋密封螺旋槽的槽型不同，所產(chǎn)生的泵送作用也就不同。由文獻(xiàn)［2］可知，不同形狀螺旋槽對應(yīng)的泵送壓力理論計(jì)算公式如下。

式中：v為螺旋圓周速度；α為螺旋升角；z為螺旋槽頭數(shù)；l為螺旋體長度；t為螺旋槽節(jié)距；h為螺旋槽深；c為螺桿與螺套間的間隙。

根據(jù)以上公式可以看出：在轉(zhuǎn)速和主要幾何尺寸相同的情況下，3種形狀螺紋對應(yīng)的泵送壓力關(guān)系為pj＜pt＜ps。由于磁力攪拌器多用于轉(zhuǎn)速較低、介質(zhì)黏度較大的工況，其選用迷宮螺旋密封時(shí)主要考慮泵送壓力。因此，選螺旋槽為三角形螺紋的迷宮螺旋密封比較合適。

2．2 型式確定

從泵送壓力理論計(jì)算公式可知：在停車時(shí)螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零，完全喪失了密封能力，為避免停車時(shí)發(fā)生泄漏，應(yīng)設(shè)置停車密封裝置。停車密封裝置種類較多，結(jié)合某型磁力攪拌裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇的組合密封型式如圖2所示。

圖2 某型磁力攪拌器迷宮螺旋組合密封結(jié)構(gòu)

圖2中，停車密封裝置采用磁力機(jī)械端面密封，磁性材料選用釹鐵硼，在磁性靜環(huán)及動環(huán)摩擦副密封端面噴涂1層0．2～0．5 mm厚的碳化鎢或硬質(zhì)合金涂層，增加其耐磨性能及抗沖擊性。同時(shí)，為簡化其結(jié)構(gòu)，不單獨(dú)設(shè)計(jì)沖洗機(jī)構(gòu)，采取在摩擦副開槽的形式來強(qiáng)化潤滑和冷卻。針對迷宮螺旋密封，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，可選擇螺旋升角α＝70°，螺旋槽深h＝4 mm；考慮攪拌器軸的撓度，選取螺桿、螺套之間的間隙為c＝2 mm；根據(jù)磁力攪拌器結(jié)構(gòu)及泵送壓力要求，選擇螺旋槽長度l＝200 mm。

攪拌器工作時(shí)，介質(zhì)進(jìn)入迷宮螺旋體，迷宮螺旋體泵送壓力大于被密封介質(zhì)壓力，起到密封作用，即使有少量被密封介質(zhì)進(jìn)入迷宮螺旋體后方腔體，也可由磁力機(jī)械端面密封將其與冷卻、潤滑水隔離而實(shí)現(xiàn)密封；停車時(shí)，主要由磁力機(jī)械端面密封起作用。

2．3 密封試驗(yàn)

甘肅萬健磁力傳動科技有限公司的CTJ型煙氣脫硫磁力攪拌器使用的是水壓密封，通過外部提供壓力高于被封介質(zhì)壓力的水阻礙介質(zhì)外流的方法來進(jìn)行密封。由于壓力水流進(jìn)吸收塔內(nèi)而不能被循環(huán)利用，造成水消耗增加。另外，壓力水同時(shí)還起到冷卻、潤滑作用，一旦停水，不僅不能密封，磁力傳動裝置還會升溫，超過一定溫度會導(dǎo)致磁性材料退磁，影響攪拌器轉(zhuǎn)動。針對這種情況，對該型磁力攪拌器改用了如圖2所示的迷宮螺旋組合密封，并進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，將磁力攪拌器軸從側(cè)面伸入一小型試驗(yàn)漿液池壁內(nèi)，通過攪拌器蓋將攪拌器固定，由電動機(jī)經(jīng)過二級減速器驅(qū)動磁力攪拌器外磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。根據(jù)實(shí)際工況，將轉(zhuǎn)速限制在210～350 r／min。在25℃環(huán)境溫度時(shí)，逐漸往漿液池內(nèi)加入動力黏度為24 mPa·s的石灰水混合液，當(dāng)攪拌器軸轉(zhuǎn)速為210 r／min，磁力螺旋組合密封處壓力為0．2 MPa時(shí)，無泄漏發(fā)生；當(dāng)攪拌器軸轉(zhuǎn)速為300 r／min，迷宮螺旋組合密封處壓力為0．28 MPa時(shí)，無泄漏發(fā)生；當(dāng)攪拌器軸轉(zhuǎn)速為210 r／min，迷宮螺旋組合密封處壓力為0．35 MPa時(shí)，有少量石灰水混和液經(jīng)過組合密封滲入冷卻潤滑通道。

該型磁力攪拌器在某火力發(fā)電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)為：攪拌器軸轉(zhuǎn)速210～350 r／min，密封桶右側(cè)漿液池漿液壓力0．15 MPa。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)的迷宮螺旋組合密封能夠?qū)崿F(xiàn)磁力傳動攪拌器的無泄漏密封。如果該裝置能夠投入應(yīng)用，只需給磁力攪拌裝置設(shè)置1個(gè)外置水箱，不受供水條件限制，1個(gè)檢修周期可節(jié)省用水約2 800 t，增加了裝置的環(huán)境適應(yīng)性。

3 結(jié)論

1） 對某型磁力攪拌器水壓密封進(jìn)行迷宮螺旋組合密封的改進(jìn)，并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的密封裝置對于含雜質(zhì)的液體有較好的密封效果；同時(shí)，整個(gè)裝置可不受外部供水環(huán)境影響，可節(jié)省水源，對使用環(huán)境適應(yīng)性更好，有利于更大范圍推廣應(yīng)用。

2） 改進(jìn)后裝置對試驗(yàn)所用含雜質(zhì)混合液密封效果較好。迷宮螺旋密封裝置中螺旋槽型式、參數(shù)的選擇主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)調(diào)整，密封介質(zhì)及其他因素對其影響有待更進(jìn)一步研究。

［1］杜春玲，趙廷釗，李維熙，等．迷宮螺旋密封的發(fā)展及在礦井主排水電機(jī)上的應(yīng)用［J］．煤炭工程，2008（4）：96-98．

［2］蘇明德，黃素逸．計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1997．

［3］王春林，邢巖，阮勁松，等．迷宮螺旋泵螺旋槽的實(shí)驗(yàn)研究［J］．水泵技術(shù)，2006（2）：18-20．

Labyrinth Screw Seal and Experimental Study on Magnetic Agitator

LI Xin-yong1，YIN Xin-quan1，YANG Yun-zi1，ZHANG Yong-xing2
（1．Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou 730050，China；2．Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China）

The labyrinth screw seal structure would have its unique advantages to solve the harsh operation conditions，such as sealing problems under high temperature，high pressure，flammable，explosive，corrosion and particle medium．The certain of the labyrinth screw seal is introduced，and its structure with the triangular-shaped thread，the rectangle-shaped thread and the ladder-shaped thread are proposed．The rectangle-shaped labyrinth screw combined seal was selected to improve the water pressure seal of the magnetic agitator considering its actual working condition，the experiment verified its better seal performance．

labyrinth screw seal；improvement；magnetic agitator；experimental study

TE926

A

1001-3482（2014）01-0063-03

2013-07-29

蘭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012-2-123）

李新勇（1971-），男，甘肅甘谷人，教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)和磁性材料研究。