螺旋密封结构设计应注意的问题

螺旋密封结构设计应注意的问题

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。