摘要：随着科技在不断的发展，社会在不断的进步，为了研究机械密封用螺旋式泵效环的泵送性能，利用CFD软件Fluent对泵效环的内部流场进行数值模拟计算，得到泵效环内部流场的压力分布，并计算出泵效环的泵送扬程，获得了流量-扬程性能曲线，分析了泵效环的转速和螺纹头数对其泵送能力的影响。结果表明：螺旋式泵效环具有较强的泵送能力，且泵效环的转速和螺纹头数对其泵送性能都有相应的影响。随着转速的增加，泵效环扬程增大，但扬程随流量的变化幅度并不大。随着螺纹头数的增加，泵效环扬程先增加再减小，且扬程随流量的变化趋于平缓。
关键词：机械密封；螺旋式泵效环；数值模拟；泵送能力；扬程
引言
机械密封失效时，密封层会表现出一定的特征，相关人员要注意记录和观察这些故障现象，并对故障产生的原因进行分析，最终提出合理有效的解决方案。本文主要针对机械密封故障问题进行分析。
1机械密封
机械密封主要是针对一对垂直于旋转轴线断面，在补偿机构以及流体压力的作用下，再配合上辅助密封模式，就可以实现彼此的贴合，同时也能够针对滑动而形成流体泄漏的对应装置。机械密封属于旋转模式的轴封装置。如针对压缩机、离心泵、离心机等对应的设备。因为设备内外有传动轴的贯穿，如此，在设计与轴之间还会有圆周间隙的存在，通过间隙，就会导致设备介质出现外泄的情况，所以，就需要针对轴封装置的泄漏进行合理的防范。轴封包含了较多的种类，因为其实际的寿命较长、泄漏量偏少等特性，在实际的运转中机械密封就是其密封的主要方式。对于机械密封，也可以称之为断面密封。机械密封主要部件：动环、静环、冷却装置和压紧弹簧。对于机械密封所使用的辅助密封件：密封圈主要包含了0形、U形、X形、矩形柔性石墨等一系列的密封件。机械密封弹力补偿机构：弹簧、推环、片式波纹弹簧。弹簧座及键或各种螺钉。机械密封分类分为单端面、双端面；平衡型、非平衡型；任意旋向、固定旋向……
2机械密封用螺旋式泵效环泵送性能研究
2.1泵效环几何模型和网格的生成
本研究中的螺旋式泵效环在其外表面加工有12头螺纹，其泵效环长为40mm，外径为78mm，螺纹槽轴向槽宽为3．5mm，螺距为5．5mm，螺纹齿高为3．5mm，泵效环外径与过渡座内径之间的间隙为0．5mm。泵效环的主要工况：流量Q=8L/min，转速n=3000r/min。图1是螺旋式泵效环三维结构图。
图3静域
螺旋式泵效环的外表面与过渡座的内壁面所构成的空间为流体流动区域，将此区域作为本研究中的计算区域。为了便于分析研究，把计算区域分为两部分，如图2和图3所示。根据泵效环的内部流场流动特性可知，图2所示流域的流体在泵效环螺纹槽内随泵效环旋转而旋转，故命名其为动域，图3中所示的流域中的流体相对于动态域则是静止的，故命名其为静域。使用ICEM软件对计算区域进行网格化分，并利用Interface对交界处进行连接，在数值模拟计算过程中为了消除进出口的位置对计算区域的影响，本研究适当地对计算区域的入口和出口做出延伸。
2.2增加辅助冲洗系统
密封胶作为一种胶状物质，本身具有很多杂质，在应用中也会粘合很多杂质，最终导致密封污染。这些污染主要以结晶、颗粒沉积形式呈现，这不仅会对润滑油质量造成污染，还会对弹簧压缩量造成影响，严重情况下，甚至会对摩擦副造成磨损，机械密封失效。这些杂质无可避免，只能从清除杂质角度入手，借助辅助冲洗系统，来使这些杂质及时被冲掉。另外冲洗系统还会对密封相关元件进行降温，密封端面的密封效果会更显著。
2.3泵效环泵送性能研究
经过Fluent后处理，得到螺旋式泵效环进出口压力，代入扬程计算公式（2）计算出泵效环扬程，通过MATLAB获得螺旋式泵效环在3种转速下的流量-扬程性能曲线，如图4所示。分析得出，随转速的增大，螺旋式泵效环的泵送扬程增大，泵送能力增强，在最小流量2L/min工况下，转速为3600r/min时扬程为2．93m，转速为2500r/min时下降到1．48m，且在3种转速下的泵效环扬程都是随着流量的增大而减小，但扬程随着流量的变化并不是很大，流量在2～10L/min范围内，转速在3600r/min时，泵效环扬程变化幅度最大。
图5不同螺纹头数下泵效环的流量-扬程曲线
适当增加和减少螺纹头数，将原模型的螺纹头数由12增加到16，以及由12减少到8而保持其他参数不变的情况下，转速设定在3000r/min，经过Fluent计算并处理得到泵效环进出口的压力，代入扬程计算式（2）计算出扬程，利用MATLAB获取到螺旋式泵效环的流量-扬程性能曲线，且其扬程对比图为图5，在3种螺纹头数下，泵送扬程的变化趋势基本都保持一致，都是随着流量的增大而减小，并且随着螺纹头数的增加泵效环泵送扬程的变化趋于平缓，且随着螺纹头数的增加泵效环泵送扬程先增加再减小，在3种螺纹头数下，在螺纹头数12时泵效环泵送扬程最高。
2.5做好机械密封零件检查
密封零件质损以及精度不够问题或零件不洁净等，都会导致泄漏，在对机械密封故障进行排查解决时，还要对密封相关零件进行检查，及时更换老化和磨损严重的零件，对松动的零件进行调整，使密封不会受影响[3]。另外相关人员还要对零件的精度进行检查，对动静环贴合端面的粗糙度进行改进，使其平滑，还要控制相关摩擦面间距，使振摆有摆动的空间，满足密封要求。
3安装时技术要求
由于机械密封属于精度相对较高的机械部件，其实际的安装与操作会直接影响其使用寿命。对于机械密封安装的泵，在与机械密封相互配合的部分，其实际的技术要求如下：（1）轴的弯曲度：最大不得超出0.05毫米；（2）转子的振摆：动环密封圈位置上的轴套附近不得超出0.06毫米；（3）轴的轴向窜动量不得超出±0.5毫米，如果是带轴套，那么不允许其出现松动的现象。（4）针对联轴器的赵峥误差：杜宇弹性联轴器，不得超出0.05-0.06毫米，齿式联轴器不得超出0.08-0.10毫米。（5）压盖和密封配合止口针对轴中心线同心度允差0.05毫米，在于垫片相互接触的平面针对中心线的垂直度允许差为0.03-0.05毫米，如果无法满足要求，就需要加工密封腔；（6）对于动环密封圈轴套端部的安装以及静环密封圈的压盖端部安装，都需要倒角，并且确保其修光滑。
结语
（1）以某型号螺旋式泵效环为研究对象，使用CFD软件Fluent对泵效环和过渡座之间的内部流场进行数值模拟计算，分析表明，螺旋式泵效环产生了泵送效应，具有较强的泵送能力，泵送效果明显；（2）螺旋式泵效环的泵送扬程会随着泵效环转速的增加而增大，泵送能力相应增强，但扬程随流量的变化幅度并不是很大，符合扬程计算公式；（3）螺纹头数对螺旋式泵效环泵送性能有一定的影响，随着螺纹头数的增加泵效环扬程先增加再减小，且随着螺纹头数的增加扬程随流量的变化趋于平缓。
参考文献：
［1］顾永泉．机械密封实用技术［M］．北京：机械工业出版社，2001．
［2］贺鹏程．机械密封冷却液循环泵效环特性研究［D］．昆明：昆明理工大学，2014．
［3］陈果．适用于幂律流体螺旋结构液膜密封性能研究［D］．昆明：昆明理工大学，2017．
［4］马润梅．迷宫螺旋泵泵送机理及性能的CFD数值模拟和试验研究［D］．北京：北京化工大学，2009．
论文作者:孙旭东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/25
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