（化工过程机械专业论文）螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究.pdf

螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 摘要 螺旋密封作为一种非接触式并且能达到。零泄漏”的新型密封型式，在航 天航空和石油化工等领域的应用越来越广泛。现阶段单相螺旋密封理论及应用 日益成熟，但是在多相流体研究方面的工作非常有限。本课题的目的就是通过 研究螺旋密封在纸浆介质中的应用情况，探讨适合于纸浆介质的最佳螺旋参 数。 为此，在综合国内外大量文献资料的基础上，从理论上探讨螺旋密封的工 作原理、对螺旋参数进行优化以及针对螺旋密封在造纸企业纸浆输送设备轴封 中的应用进行初步的实验研究。在实验前期，首先采用计算机编程对影响螺旋密 封能力的参数进行了优化，再运用流体仿真软件f l u e n t 进行模拟仿真，主要 目的是探索纸浆螺旋密封的压力分布情况，最后在螺旋密封装置上进行实验。 通过m a t l a b 的优化设计得出的最佳螺旋参数为：k l = o 5 ，c = o 2 r a m ， k 2 = 3 ，口= 2 0 4 。，h = 0 4 m m ，a = b = 1 l m m 。通过f l u e n t 仿真，结果表明螺旋 密封应用于纸浆介质中是可行的。 实验表明，螺旋密封对纸浆的最大密封压力达到o 1 2 m p a 。在实验过程曾出 现过0 3 m p a 的密封压力，但是重复性不好。影响螺旋密封效果的因素很多， 其中纸浆性能及螺旋参数对螺旋密封的效果都有显著的影响。纸浆螺旋密封的 关键是在螺旋槽中形成稳定的密封膜，当螺旋密封遭到破坏之后，密封压力急 剧下降且不易再次形成稳定密封。不同浓度的纸浆对于螺旋参数的要求不一 样，对于浓度较低的纸浆，其密封性能接近于单相流体。多头螺旋、采用1 5 度左右螺旋角以及适中的槽深及槽宽更有利于密封；而对于浓度较高的纸浆， 则需要采用有利于纸浆流动的较深较宽的螺旋槽以及较大的螺旋角。 螺旋密封的密封效果随纸浆浓度的增加有逐渐改善的趋势。实验证明浓度 较低时密封效果较差，太低时纸浆的粘度相应的也较低，而螺旋密封是依靠密 封液的粘度来实现的，因此低浓度的纸浆做为密封介质时能够产生的密封压力 较低。 相对于填料密封来说，纸浆螺旋密封能量消耗更低。实验表明螺旋密封的 能耗只有填料密封的三分之一左右。 关键词：螺旋密封，纸浆，优化设计，f l u e n t t h es t u d yo fa p p l y c a t i o n o fh e l i c a ls e a li np u l pp u m p a b s t r a c t a san e wn o n c o n t a c t i n g ，n o - l e a k i n gf a c es e a l ，i nt h ep a s tf e w y e a r s ，t h eh e l i c a ls e a lh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha st h e a v i a t i o n a e r o s p a c ea n dt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t os e t t l e f o rt h e s p e c i a lw o r k - c o n d i t i o n s s e a ld e m a n d ，w i t ht h ea c a d e m i cd e v e l o p m e n t o f s i n g l e - p h a s el i q u i ds p i r a lg r o o v e s e a la n d a p p l i c a t i o n i n i n d u s t r y m u l t i p h a s el i q u i dh e l i c a ls e a lr e s e a r c hd e s i d e r a t e su r g e n t l ya g r e a td e v e l o p m e n t b u ts u c hr e s e a r c hi sv e r yl i m i t e da n dh a sn o tb e e n i n v e s t i g a t e di nd o m e s t i ca tt h ep r e s e n tt i m e t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c t i st os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n ta n de s t a b l i s ht h eb a s ef o rf a r t h e rr e s e a r c h w i t hs u m m a r i z e dag r e a td e a lo fd a t u mi nh o m ea n do v e r s e a s ，t h i s t e x th a sp r o b e di n t ot h eo p t i m i z a t i o no fs e a l e do p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h eh e l i c a la n d p a r a m e t e r d i r e c t e dp r i m a r i l yt oh e l i c a ls e a lp u l pp u m p a x l e a p p l i c a t i o ns e a l ，w e c a r r i e do n p r e l i m i n a r y r e s e a r c h a m o n g p a p e r m a k i n ge n t e r p r i s e ，a n dr e s e a r c h e dd i f f e r e n tp u l p ，s e a l e ds i t u a t i o n u n d e rt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o na n dd i f f e r e n td e n s i t y a d o p t e dc o m p u t e r p r o g r a m m i n gt oi n f l u e n c eh e l i c a ls e a l e dp a r a m e t e ro fa b i l i t yo p t i m i z e i nt h ec o u r s eo fd e s i g n i n g t h e nw eu s e dc o m p u t e rs o f e w a r e f l u e n t t os i m u l a t et h eh e l i c a ls e a l e dw i t ht h ep u r p o s eo fd i s c o v i n gt h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o ni nh e l i c a ls e a l a tl a s t ，e x p e r i m e n tw o u l db ed o n ei n e q u i p m e n t t h r o u g ht h eo p t i m i z ed e s i g ni nm a t l a b ，t h eb e s tp a r a m e t e ri sk t = 0 5 ，c = o 2 m m ，k 2 = 3 ，口= 2 0 4 ，h = o 4 m m ，a = b = l l m m s i m u l a t i o ni n f l u e n ts h o w st h a th e l i c a ls e a lc a nb eu s e di np a p e rp u l p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s ，t h eh i g h e s ts e a la b i l i t yr e a c h e d 0 12 m p aa n do n c er e a c h e do 3 m p a t h ef a c t o ri n f l u e n c i n gt h eh e l i c a lt o b es e a l e di sn u m e r o u s ；s u c ha st h ep r o p e r t i e so ft h ep u l pa n dh e l i c a l p a r a m e t e rr e s u l tt oh e l i c a l ，a l lh a v ep r o m i n e n ti n f l u e n c e b u ta f t e rt h e h e l i c a ls e a lh a sb e e nd e s t r o y e d ，t h es e a l e dp r e s s u r ed r o p e ss u d d e n l ya n d i i i d i f f i c u l t l ya n dt a k e ss h a p es e a l sa g a i n t h e r ea r ed i f f e r e n tt h i c k n e s s e s t h a th a v ed i f f e r e n ti n f l u e n to f p a p e r p u l pi nt h eh e l i c a ls e a l t ot h ep a p e r p u l p w h i c ht h i c k e n e s si s l o w e r , i t sp e r f o r m a n c ei s c l o s et ot h e s i n g l e - p h a s e i nt h er a n g eo fp u l pl o n gp o s t i o ns c r e w , 15 d e g r e es c r e w a n g l ea n dt h es u i t a b l eg r o o v ew i l lb eg o o df o rt h es c r e wc e a l i n g t ot h e p a p e rp u l pw h i c ht h i c k n e s si sh i g h t e r w i d e ra n dd e e p e rg r o o v ew i l lb e g o o df o rt h ef l o a t i n go fp a p e rp u l pa n di tw i l lr e s u l ta tt h eh i g h t e r s e a l i n gp r e s s t h es e a l e di m p a c to fs e a l e dh e l i c a li ss t r e n g t h e n e db yt h ei n c r e a s e o ft h ep u l pd e n s i t yg r a d u a l l y l o wd e n s i t ys e a l e dc a n n o tg e tg o o dr e s u l t ， b e c a u s ep u l pd e n s i t yi st o ol o wa n dh i sv i s c o s i t yr e l a t i v e l yc a ng e tl o w a n dh e l i c a ls e a lr e l y i n go nc o p i e so fv i s c o s i t yo fp u l pc o m et or e a l i z e ， l o wd e n s i t yo fp u l ps e a l e dp r e s s u r et h a tc a np r o d u c el o w e re v e na s s e a l e dm e d i u m o n ed e g r e eo fs e a l e di n f l u e n c et oh e l i c a lo f p u l l i n ga n o a ro f t h ep u l pi sn o tb i g c o m p a r ew i t ht h ep a d d i n gs e a l ，t h ee n e r g yc o n s u m i n go fs c r e w s e a li sm u c hl o w e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s ：s c r e ws e a lc o n s u m e s o n l yt h i r do f t h ee n e r g yt h a tp a d d i n gs e a lh a s k e yw o r d s ：h e l i c a ls e a l ，p u l p ，o p t i m a ld e s i g n ，f l u e n t i v 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 6 7 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 1 前言 1 1 课题的提出 1 1 1 课题提出的背景 工业过程中使用的机器大多数都设有密封装置，一般密封装置都或多或少 的存在着泄漏问题。泄漏会造成能源的浪费、环境的污染、物料的流失、设备 的损坏、产品质量的下降、从而损害工作人员的健康、甚至会酿成火灾、引起 爆炸、带来巨大的经济损失。密封件虽然只是个零部件，但却能决定机器设备 的安全性、可靠性和耐久性 ，l 。一种机器的密封技术水平，往往成为该产品 技术水平的重要标志。密封装置的设计不仅关系到机器的密封程度，而且还关 系到它能否正常运转，影响到机器的功率消耗和寿命。经统计1 4 5 ，在日常的 机器设备使用和维修中，对于机泵几乎有4 0 5 0 的工作量是用于轴封的维 修【】。而离心泵的维修费用大约有7 0 是用于处理密封故障【，j 。在离心式压缩 机失效原因中，润滑和密封系统的故障占5 5 6 0 ，密封系统占机组价格的 2 0 4 0 f i o l 。美国的密封技术工作者认为，由于开发密封技术，仅汽轮机一 项，每年节约能源费用就达3 亿美元。 我们通常把靠密封力使密封面相互贴紧、接触甚至嵌合的密封称为接触式 密封；而密封面有间隙使之互相不接触的密封称为非接触式密封。接触式密封 使用较早，它结构简单，成本低，在过去、今天都是得到了广泛应用。但由于 接触式密封靠的是密封件与密封件之间的压紧配合，在动密封中，其配合间摩 擦力大、发热量高，在高温、高速等苛刻的工况条件下还不能完全胜任。尤其 是密封件需要经常更换，这样不仅成本高，而且费时费力，严重影响生产。这 就对整个密封系统的耐高温性能、抗磨性能、可靠性寿命提出了更高的要求。 虽然为此人们又用了新的耐高温材料，改善了结构，但这使成本大幅度提高， 结构变得复杂，维修困难，使其应用推广受到限制。进而人们只得从原理上攻 坚，继而出现了离心密封、螺旋密封、迷宫密封、磁流体密封等多种不同工作 原理的非接触式密封。这些密封在一定程度上解决了接触式密封所无法解决的 一些问题，并在工业生产中得以应用，显示出旺盛的生命力。但由于这些非接 触式密封刚刚产生不久，仍存在一些有待解决的问题和需要完善的地方i l - ，j 。 密封作为纸浆输送设备的一部分，也随着整个密封技术与造纸设备技术的 发展而发展。目前造纸企业的大部分的输送设备采用的是软填料密封、机械密 封两种密封形式。其中机械密封密封效果好，但存在结构复杂、加m 制造维修 陕西科技大学硕士学位论文 不便，价格昂贵等不足；软填料密封是传统的密封形式，其历史悠久，存在结 构简单、价格低廉等优点，而且近年来采用了膨胀石墨等新型材料，在一定程 度上提高了其耐高温、耐磨损的性能。但是，不管采用何种材质的密封材料， 在防止或减少泄漏而增大盘根压力过程中，盘根与轴的摩擦力加剧，热量增多， 盘根与轴的磨损也随之加剧，盘根很易失效。输浆泵的泄漏是一个严重的问题。 它不仅会造成浆泵加速老化，增加维修费用，缩短维修周期，而且严重时会导 致停车，造成巨大的经济损失1 1 0 u 】。多年来，研究人员致力于研究出一种能够 改变现状的密封技术，以期减小泄漏对造纸企业产生的负面经济效益，但受诸 多因素的影响，输浆泵的密封技术依然发展缓慢。本课题研究的目的就是要探 索作为非接触密封的螺旋密封对纸浆的密封性能。 1 1 2 课题的研究现状 螺旋密封是一种新型密封方式，国外从1 9 1 6 年开始在水泵中采用螺旋密 封，后来成功地推广到许多苛刻条件，如高温、深冷、腐蚀和带颗粒等的液体 介质密封领域中m “，l 。近几十年来，国内首先在核动力、空间装置等尖端技术 领域内，以及在高速离心式压缩机上成功地应用了螺旋密封，进而在一般专业 技术领域的油泵、酸碱泵以及其他化学溶液泵上采用了螺旋密封，并获得了良 好的密封效果 s 4 6 8 1 。如2 0 世纪8 0 年代末陈秉二教授用螺旋密封代替迷宫密 封，并成功地用于甘肃黄河提灌工程水泵吸入口环密封中一m ；文献”报道了 螺旋密封应用于糠醛原料泵取得明显的效果，同时螺旋密封在屏蔽泵滑动轴承 中也有一定的应用。近年来国外文献报道了高压螺旋泵( 流量为l - 2 m 3 h ，扬程 为1 0 2 0 m 。泵入口压力为1 0 2 0 m p a ) 。高压螺旋泵的出现，说明螺旋密封在流体 机械中的应用又有了新领域，是一个值得注意的动向”。 2 0 0 6 年，薄相锋以论文 螺旋密封在浆泵上的应用研究完成了陕西科 技大学硕士论文的答辩。这也是螺旋密封在纸浆中应用的第一次探索研究，这 一阶段发现的问题以及主要研究成果如下： 研究过程中发现的主要问题： a ) 浅螺旋槽螺旋套上会出现浆水分离的现象，浆不能顺利进入螺旋，从 而导致螺旋密封的失效，这种现象在压力稍低的时候尤为突出；为了解决这 问题，在其中的两套螺旋上高压端车出一个4 5 度得倒角，结果密封能力提高 到2 0 0 m m 以上 b ) 较深螺旋槽中，压力达到一定值的时候，纸浆虽然能进入槽中，但由 于纸浆中含有的空气在螺旋的搅动下逐渐聚成气泡。影响到密封效果的稳定 性甚至破坏密封。 2 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 c ) 实验中过早出现气吞现象。根据试验情况，认为原因：一是纸浆特殊性 能所致；- - 是螺旋套偏心所致。 主要研究成果： a ) 随着纸浆浓度的上升，螺旋密封能够密封的压力也逐渐升高，同时随着 转轴转速的提高各浓度纸浆的密封压力均逐渐升高： b ) 螺旋的升角对螺旋密封能力有一定影响，浓度为l 、2 和3 的纸 浆在螺旋角度为1 5 4 0 时的密封能力均比螺旋角度为2 0 4 0 时的密封能力好。浓 度为4 的纸浆是在螺旋角度为2 0 4 。时的密封压力值高，但是，此时的密封主 要是堵塞形成的密封，因此升角为1 5 4 0 时的螺旋能够产生较高的密封能力： c ) 当螺旋槽宽为1 2 r a m 时螺旋密封效果比宽为8 m m 时的效果好。螺旋槽 宽太窄时不利于纸浆进入螺旋槽中以及粘液密封的形成。因此，螺旋槽的宽度 不宣太窄： d ) 纸浆的打浆度对螺旋密封的密封能力影响不大； e ) 在其它螺旋参数相同的情况下，高压端倒角对螺旋密封产生了很大的 影响，密封能力大大提高： f ) 在螺旋密封工作过程中要尽量避免破坏已经形成的螺旋密封，若气体 进入密封段中将导致螺旋密封能力急剧下降： g ) 最大密封压力o 0 5 6 m p a ，螺旋参数为4 头螺旋，k l 值为0 5 ，螺旋间隙 为0 。3 r a m ，螺旋角1 5 4 度，槽深0 6 r a m ，纸浆浓度为4 ： h ) 作者认为纸浆的进一步研究可以从多相流体的角度出发，深入研究纸 浆在缝隙中的流动特性，仔细分析螺旋密封中，纸浆在螺旋槽和齿顶间隙内的流 动情况。以及进一步提高纸浆浓度，深入研究纸浆浓度较高时螺旋密封的密封 能力，探讨螺旋密封对中高浓纸浆的密封效果。 1 2 课题研究的目的意义以及创新性 1 2 1 课题研究的目的意义 在能源紧缺以及环保意识日益加强的今天，工业中使用低能耗，无泄漏的 密封方式已成为密封技术发展的基本方向【1 7 l 。制浆造纸工厂大量使用的输送设 备中，目前普遍采用的填料密封和机械密封都不同程度存在这样或那样的缺陷 i ts ，其中高能耗以及泄漏问题尤为严重。有的设备如浆泵，仅密封装置所消耗的 功率已占轴功率的1 3 。有人把水力碎浆机的填料密封装置取消，将搅拌轴由 下方改到上方，结果虽然操作不方便，但所用电机功率由4 5 k w 降到2 2 k w t ) 。 若采用端面密封，但成本较高，且一旦浆料中的纤维或固体颗粒进入摩擦面， 陕西科技大学硕士学位论文 会造成快速磨损。螺旋密封属于非接触密封，它的功率消耗小，且维护更加 简单。一旦研究成功可使多种制浆设备节约电耗2 0 3 0 t 2 q 。每个制浆造纸 厂都有几十台甚至几百台制浆设备，节能效果更显著因此将新型螺旋密封 应用于造纸设备中，可提高纸机运行的可靠性和稳定性，具有长远的发展前景 和巨大的经济效益。除此之外，作为扩大螺旋密封应用范围的试，本课题也具 有一定的探索性作用。 1 2 2 课题的创新之处 螺旋密封作为一种新型的非接触式密封已经在单相流体中得到一定的应 用，具有能耗低，运行寿命长，可实现零泄漏等优点。但是。在纸浆输送设备中 并没有应用与实践的报道，也没有相关理论的发表。本课题致力于研究螺旋密 封在纸浆中的密封能力以及它的变化规律，全力探索在不同浆料浓度下，不同参 数的螺旋的密封能力，找出适用于纸浆的螺旋密封参数 1 3 课题的研究内容及实施方案 l 。3 。1 研究内容 螺旋密封目前主要应用在单相黏性流体( 石油) 方面。有关的理论以及 计算公式都是以单相黏性流体为基础且相关理论也有一定的假设条件。本课 题主要依托现有的密封理论，对纸浆螺旋密封的能力进行理论计算和计算机 模拟仿真，分析其可行性。然后在螺旋密封试验装置上进行试验，通过改变 螺旋的参数( 螺旋的螺距、槽宽、槽深、头数等) 、浆料的浓度以及密封压力 等对螺旋密封进行优化，找出最佳的螺旋密封参数同时对螺旋密封与传统 密封的效果以及能耗进行比较。 1 3 2 实施方案 a ) 广泛收集国内外关于螺旋密封以及纸浆特性方面的资料，通过对资料 进行分析研究，探讨螺旋密封的密封原理对纸浆的适应性以及把螺旋密封应 用于纸浆中可能出现的现象。 b ) 运用计算机软件m a t l a b 在现有螺旋密封理论的基础上。进行螺旋参数 的优化，得出螺旋套的最优参数值。 c ) 以具有最优螺旋参数的螺旋套为原形建模，运用f l u e n t 进行计算机 仿真，探讨其可行性。 d ) 结合理论分析及现有的研究成果，根据四因数三水平的实验方法设计 出实验所需的螺旋套。 4 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 e ) 改变浆料的浓度进行实验，记录不同螺旋参数和不同浓度下的密封情 况。 f ) 根据对不同浓度浆料下的密封情况分析，确定在不同浓度下的最佳螺旋 参数。 g ) 比较螺旋密封与填料密封的能耗 陕西科技大学硕士学位论文 2 离心式浆泵常用密封 浆泵轴封装置的好坏很大程度上直接影响到浆泵的性能和维护工作。一 定压力的浆料容易侵入轴封部分使密封表面破坏而失效，这是浆泵在设计和使 用中应该充分注意的问题1 2 1 。目前在造纸行业中最广泛应用的技术是填料密封 和机械密封两种密封形式，其中机械密封密封效果好，但存在结构复杂，加工维 修不便。价格昂贵等不足；填料密封是传统的密封形式，有着悠久的历史，结构 简单，价格低廉，而且近年来采用膨胀石墨等新型材料在一定的程度上提高了起 耐高温耐磨损性能【1 0 l 【1 2 】。但是不管采用何种的密封材料在防止或减少泄露的 而增大盘根压力的过程中盘根与轴的摩擦加剧，热量增多，磨损也随之加剧。 近年来有人尝试在输送单相黏性流体的离心泵上采用了螺旋密封并获得 了较好的使用效果【2 2 1 。工业应用实践证明，螺旋密封确实有很多其他传统密封 所不具有的优点，但其中仍然存在密封压力不高，停车密封不可靠等问题【2 3 】【24 1 。 而对于纸浆来说。螺旋密封仍然停留在设想阶段我们应该对其做进一步的研 究。 2 1 软填料密封 2 1 1 软填料密封的基本结构 软填料密封是一种压紧式填料密封又称压盖填料密封。它是利用柔软材料 作成压缩填料来填塞运动体间隙的动密封装置。如图2 - 1 所示是一种典型的填 料密封结构。软填料依靠轴向压紧，产生径向变形1 1 1 1 2 ，填塞间隙而密封软填 料变形时，依靠合适的径向力，紧贴于转轴和填料箱内壁表面，保证可靠的密 封。 v 钐a 嘭黝钐 么埒红壬翰删髟 卜k 妇隔离 图2 - l 软填料密封示意图 f i g 2 一is o f tp a c k i n gs e a l 6 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 从图2 - 1 可以看出，软填料密封的结构简单，拆装方便，但软填料磨损后需拧 紧压盖螺栓或更换填料。 2 1 2 软填料密封的工作过程m “ 当拧紧压盖螺栓时塑性填料受到轴向的压紧力产生塑性变形而产生径向 扩张，进而抱紧轴，这样可以在一定程度上阻止泄漏；另一方面，由于轴磨损 后的不平，不可能使总个表面都接触，因而当轴于填料相对运动时，在凸起的 接触部位与凹入的非接触部位形成了微小的不规则迷宫，造成了流体的节流降 压。使流体沿轴向的流动受到阻碍进而实现密封。 为了使沿轴方向的径向力分布均匀，采用中间封液环将填料密封分成两 段；为使填料具有足够的润滑和冷却，向封液环中间注入润滑液体；为防止填 料被挤出，采用具有一定间隙的衬套。 2 1 3 软填料的泄露途径 在软填料密封中，通常内部流体会通过下列途径发生泄漏 2 s , - 2 j l ： 1 ) 流体穿过软填料本身的缝隙途径而出现泄漏现象。如图( 2 1 ) 中a 所示。 a 处的泄漏是由于毛细管作用透过纤维编织物而产生的。一般情况下，只要填 料被压实，这种泄漏将会很少。当工作压力较高时，可采用软金属，如铟或聚 四氟已稀垫片与编织料混装的办法来杜绝流体泄漏。 2 ) 流体通过软填料与转轴之间的缝隙而泄潺如图( 2 1 ) 中c 所示，c 处的泄 漏是因为在软填料与轴之间有相对运动，难免存在间隙而造成泄漏，显然此处 是填料的关键部位。 3 ) 流体通过软填料与填料箱箱壁之间的缝隙而泄漏，如图( 2 1 ) 中b 所示。 b 处是箱壁内表面与填科之间的泄漏，因为此处无相对运动，填料被压实后就 能防止泄漏。 2 2 4 软填料密封的缺点”2 软填料密封结构简单，制造设备经济，密封材料成本低，安装拆卸方便， 性能可靠。但在造纸工业中，浆泵一般情况下都是连续性的工作设备，连续化生 产要求较高，软填料密封有许多不足之处。从软填料密封的机构来看，主要存 在以下几个方面的问题： 1 ) 受力状态不良 软填料是柔性体，对于压紧力的传递不同于刚性，由前分析已知软填料对 轴的径向压紧力分布不均，从靠近压盖端到远离压盖端先急剧递减又趋平缓， 与压盖直接相邻的2 3 圈，其压力急剧上升，磨损进一步加剧，致使密封失 7 陕西科技大学硕士学位论文 效。 2 1 散热、冷却能力不够 由于软填料与轴的接触面大，摩擦产生热量大，而热量不易通过导热性能 差的软填料散失，因此容易造成密封接触面间的液膜蒸发，出现干摩擦，而使 磨损剧烈。如果使用冷却装置，则会使结构更加复杂，难以做到封液与被封液 不相混合；当被封液含固相颗粒介质，则密封容易被损坏，需经常更换填料， 这样费时费力，影响正常生产，无益于经济效益的提高。 3 ) 自动补偿能力差 自动补偿能力不能满足要求。当填料与轴工作一段时间后，二者间隙磨损 加大，而填料密封结构一般无自动补偿压紧能力，故只有频繁拧紧压盖螺栓。 4 ) 偏摆或震的动影响大l 某些机器或设备在工作时，轴有较大的偏摆或震动，轴的轴线与旋转中心 不重合使它们之间产生过大的偏心距，由此产生类似于滑动轴承工作时的动压 力，这个作用对密封是非常不利的。 2 1 5 使用填料密封注意问题 填料密封在今后的使用中需要注意以下问题： a ) 尽量使得径向压紧力均匀且与泄漏压降规律一致，使轴套承压面的压 力均匀，使轴套磨损小而且均匀； b ) 尽量使得填料密封结构具有自动补偿能力和填料材料具有足够的润滑 性和弹性； c ) 填料的摩擦系数对箱体与轴是不一样，前者是静摩擦，后者是动摩擦； d ) 普通结构的填料沿轴囱的径向抱紧力分布不均匀问题。 循环钟洗 图2 - 2 机械密封示意图 f i g 2 - 2m e c h a n i c a ls e a l 8 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 2 2 机械密封 2 2 1 机械密封的基本结构 机械密封是一种旋转式的轴密封，或称为旋转机械端面密封，它是靠一 对或数对垂直于轴做相对滑动的端面，在流体压力和补偿机构在弹力作用下，保 持贴合并配合辅助密封而达到阻止泄漏的密封装置【5 7 】。机械密封的基本组成 有：封止环；旋转环；轴；密封间隙：弹簧；密封；传动销。示意图如2 2 所 示。 2 2 2 机械密封元件的作用p 2 。”： a ) 端面摩擦副( 动、静环) 保持紧密贴合组成密封面，防止介质泄漏。要 求动、静环具有良好的耐磨性，动环可以轴向移动，自动补偿密封面磨损，使 之与静环良好的贴合，静环有浮动性，起缓冲作用。 b ) 弹性元件( 弹簧) 主要起补偿、预紧及缓冲作用，也是对密封端面产生 合理的比压因素。要求始终保持弹性来克服辅助密封和传动作用件的摩擦，起 动环补偿作用。 c ) 辅助密封( 0 形环、v 形环) 主要起静环和动环的密封作用，同时也起 到浮动性和缓冲的作用，要求静环的辅助密封元件保证静环与压盖的密封性， 使静环有一定的密封性。 d ) 传动件( 传动销、传动环、传动座、轴套) 起着静、动环的定位、紧固 作用要求定位准确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好贴合 的弹簧比压：同时要求拆卸方便，容易就位，能重复使用。 2 。2 3 机械密封的泄漏途径 通常主要有三种途径 3 6 1 d 7 1 ： a ) 端面摩擦副的密封处泄漏，这是主要密封面，决定机械密封摩擦和密封 性能的关键，同时也决定机械密封的工作寿命，因此，对接触端面的要求较高， 粗糙度要求接近镜面，平面度达o 0 0 0 9 m m ，且对不同介质，要求合适的摩擦 副材料组成。 b ) 动环与压盖的静环密封处泄漏和动环与轴( 轴套) 的动环密封处泄漏， 是辅助密封面，首先应防止锈蚀水垢或化学反应物料堆积造成的动环不弹。 c ) 压盖与箱体的静密封和轴与轴套的静密封，这两处均为静密封，可根据 密封介质选用相容的材料。此处，动环如果用镶嵌结构，也可能在镶嵌结合面 处有泄漏，必须注意该处的配合。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 2 4 机械密封的缺点 机械密封性能可靠，泄漏量小。在一个较长的使用周期内，机械密封很少 泄漏，通常只有肉眼不易观察到的微量泄漏，具体值为0 1 l o m l h ，据统计【l l 为填料密封泄漏量的1 6 0 0 。机械密封的磨损量小，且能自动补偿因此寿命 比填料密封长，在国内油泵可达1 年以上。功率损耗低，轴或轴套无磨损，是 否需要更换，取决于介质对轴的腐蚀。能适应高温、高压等苛刻工况。但是机 械密封仍存在许多缺点。结构较复杂，机械密封零件数目多对密封设计，制造加 工以及安全保障要求十分的高，安装与更换比较麻烦拆装时要从轴端抽出密 封环，必须把机器部分( 联轴器) 或全部拆卸，对工入的技术水平要求也是较 高的。发生偶然事故时，处理麻烦一次性投资高，维修费用高，对含颗粒的 介质，在大功率工作时需配置冷却装置，而且仍存在寿命低的问题 3 1 1 5 1 1 6 2 。 2 2 5 使用机械密封注意河题 a ) 弹簧压缩量过大，会导致石墨环龟裂、摩擦副急剧磨损，瞬间烧毁 过度的压缩使弹簧失去调节动环的能力，导致密封失效。 、 b ) 动环密封圈过紧有害无益，一是加剧密封圈与轴套间的磨损；二是增 大了动环轴向调整的阻力，在工况变化频繁时，无法适时进行调整；三是使弹 簧过度疲劳易损坏，动环密封圈变形，影响密封效果。 c ) 静环密封圈基本处于静止状态，相对较紧时。密封效果会好些，但过 紧也是有害的。如引起静环变形，静环材料以石墨居多，一般较脆，过度受力 则碎裂；安装、拆卸时困难，极易损坏静环。 d ) 叶轮锁母锁紧过度会导致轴间垫过早失效，适度锁紧锁母，使轴间垫 始终保持一定的压缩弹性，在运转中锁母会自动适时锁紧，使轴阋始终处于良 好的密封状态。 2 3 其他形式的密封 目前非接触密封还没有应用到纸浆设备上，在其它领域使用较多的是迷 宫密封，螺旋密封，离心密封等。迷宫密封的特点是在流体泄漏的过程中经 过多次转向，膨胀和多个窄缝同时产生的阻力使压力逐渐减少直到泄漏量满 足要求为止，但不能达到零泄漏。对于纸浆设备如果单纯采用迷宫密封，要 将泄漏量控制在每分钟4 5 滴以内还是比较困难，因此就要求有更多的迷宫数 量和更小的缝隙，这就意味着密封装置不仅体积大，而且需要很高的加工精 度和运转平稳性。离心密封的原理类似于离心泵工作原理，安装在转轴上的 螺旋密封件就像一个叶轮，使正在向外泄漏的的介质作离心运动。当离心运 1 0 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 动产生的压力与设备内部压力平衡时，就可以阻止介质沿轴向外泄漏。离心 密封装置需要足够的直径和转速，能耗比较大。将离心泵螺旋密封研究与改 造技术应用于造纸工业，在兼有螺旋密封本身的独特优点之外还有较应用于其 它领域更多的优点。离心泵螺旋密封属非接触型密封，功率损耗小，固相摩擦 小，因而更加耐磨，适应输送含有颗粒的流体l ，无须用冷却水，本身具有自 冷却功能。在造纸工业中，纸浆有其自身的特点，粘度与打浆度有关，打浆度 越高，粘度越大( 当然粘度的增加也是在一定的范围之内，而不是无止境的增 加) ，而粘度与螺旋密封的密封能力成正比关系，粘度的增加势必导致密封能 力的增强。在纸浆进入螺旋密封后，由于螺旋间隙较小，仅有零点几个毫米， 而且又是一个动态密封，所以在螺旋密封运转时，纸浆不停的旋转与窜动，相 当于一个轻微的打浆过程，有利于粘度的稳定与提高，理论上能够增强螺旋的 密封能力。此外，造纸工业中浆泵提供的压头一般不高】，满足螺旋密封不能 提供高压头的要求( 3 m p a 以下) ，应该有非常好的应用前景。 陕西科技大学硕士学位论文 3 螺旋密封相关理论 3 1 螺旋密封概况 螺旋密封是近几十年发展起来的一种新型非接触流体动密封。其结构是在 密封部位的轴或孔的表面上( 或同时在两者上) 切出螺旋槽：若螺旋槽开在轴 上，则称为螺杆式螺旋密封，为目前常用的一种形式；若开在孔上，则为螺套 式螺旋密封；若在两者的表面上同时切出旋向相反的螺旋槽，则称为迷宫螺旋 密封1 3 1 1 1 3 9 。无论那种密封，在密封元件间均有较大的间隙，能消除引起介质泄 漏的压差而做到无泄漏。它的特点是密封元件间有较大的间隙，密封元件问永 远不会发生摩擦接触，可以在较高转速下使用而且工作寿命很长，这种密封对 许多苛刻条件诸如高温，腐蚀性流体，含颗粒流体或润滑性差的流体等恶劣环 境都有效。 3 2 螺旋密封的工作原理 螺旋密封的工作原理是在螺旋套与静止壳体之间有狭小的间隙，其中充满 粘性流体。当轴旋转时，螺旋槽对液体施加一个推动力，进行能量的交换，使 得轴旋转动能变换成粘性液体的压力能，从而形成密封压头，即螺旋密封的泵 送效应。该压头与被密封液体压力相平衡，便能阻止液体泄漏。螺旋密封的工 作原理概括说，就是利用“机械效应、节流效应、尖角效应”来实现的1 2 1 1 4 0 1 。 3 2 1 机械效应 转轴开螺旋槽 轴害开螺旋槽 a b 图3 - 2 螺旋密封的形式 f i g 3 2t h ef o r mo fh e l i c a ls e a l 螺旋密封的机械效应与螺杆泵、螺旋输送器的机械效应相类似，如图3 - 2 ( a ) 1 2 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 所示，假若我们在旋转轴上开螺旋槽，这时液膜层相当于只能沿轴移动而不能 转动的一只螺母。按图3 - 2 所示的方向旋转，液膜层在螺旋产生轴向力的作用 向右滑动，阻止了流体向左流出，进而实现密封作用。若在轴套上开螺旋槽， 这时液膜相当于个旋转的空心丝杠套在轴上，如图3 - 2 ( b ) 所示，液膜层在螺 旋槽所产生的轴向力向右滑动，从而实现密封。液膜层中的液体质点向右滑动 的情况可用图3 3 说明： f i g 3 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em e c h a n i c a le f f e c t 假若我们把螺旋槽展开，如图3 3 所示，螺旋旋转时液体质点在o 点受到 一个垂直于螺旋面的f 力作用( 以矩形齿螺旋为例) ，把这个分解成两个分力f r 与f 2 ，f l 直接泵向系统，如果把此时螺旋槽的流体看成刚体的话，此刚体将 向左运动，恰当的形容就是静螺栓与动螺母的运动关系。而f 2 使刚体沿螺旋 轴的切线方向的切向力，该力的作用就是此刚体沿螺旋旋转的方向旋转。但流 体毕竟不是刚体，只能对单个的流体质点有实际意义，我们所研究的单个质点 是在液膜附着力的作用下运动的( 这里的研究状态是螺旋在向系统里面泵送的 状态，而不是内外平衡状态或泵送力小于系统压力状态，之所以在这里指出这条 因素，是因为不同状态，液膜的附着力方向不同) ，即同f 2 同向，所以它的实际 运动方向是c 向。此处的实际运动方向是c 向，是指在螺旋运动状态下，并 且达到一定的速度，此时是在螺旋所提供的泵送压力大于系统压力的状态；当 系统压力等于泵送压力时，流体不做左移运动，随螺旋以同样的线速度作圆周 运动，流体和螺旋形成一体。当泵送压力小于系统压力则向右移动，这都是非常 明显的。泵送压力就是整个螺旋槽给流体刚体的所有f l 力之和。从此分析可 以知道，螺旋对流体的作用力很多，但流体的实际运动是十分复杂的，其受力情 况也十分的复杂，在能够分析到的供力中，附着力不可忽视，因为附着力是不 需要的力，对泵送作用( 泵送状态时) 起反作用，螺旋齿槽深相对来说非常的小， 一旦螺旋结构( 螺旋齿槽、螺旋齿顶、螺旋齿槽侧壁) 的加工粗糙度很大，将 陕西科技大学硕士学位论文 会严重影响螺旋的密封能力因此螺旋的各个加工面必须有较好的光滑度，当 然光滑度越高越好( 但不需要非常高，只是相对而言较高) 。如果螺旋齿的主 工作侧面的粗糙度很大，不但不会起到泵送作用，反而会起到反作用。 ( a ) 图3 3 螺旋齿主工作侧面形状分析筒目 f i g 3 - 3t h ea n a l y s i so ft h em a i nw o r k i n gs i d eo fh e l i c a ls e a l 在螺旋泵送力中，产生泵送力的主要螺旋面是螺旋齿系统侧面，即主工作侧 面，我们将对此进行受力分析研究 由图3 3 ( a ) 和( b ) 分析知，螺旋泵送侧面的泵送力在其侧面是垂直轴径时， 即矩形侧面时，螺旋给流体的动力只有在主工作侧面是垂直时是一次分解，在 其它形状都是二次分解，无论是一次分解还是二次分解，最终都不会轴向泵送力 缩小，因为当是二次分解时，看似二次分解减小轴向泵送力，但由于主工作侧面 是斜面，主工作面增大，经计算后，恰好抵消了二次分解带来得损失。而由受力分 析可知。主工作侧面是斜面时，必将会有一个垂直于轴的力，如图3 - 3 0 ) 所示，这 个力将会使流体的液膜附着力增加，即增大了摩擦这个力是不需要的力，对泵 送力会起反作用。不论这个力是垂直于轴心还是垂直予轴套，都是负面力。这就 决定了螺旋主工作侧面应垂直于轴心。由螺旋泵送侧面的形状的分析，可知在 加工螺旋时，螺旋的工作侧面要精确的垂直最好那么，螺旋的副工作侧面的 形状哪种更好，是否依然是垂直呢? 虽然是副工作侧面，它实际上还是起作用 的，即会有尖角效应。垂直面便于加工，且能实现尖角效应。故螺旋截面选矩 1 4 螺旋密封装置对纸浆介质密封性能的研究 形。 3 2 2 尖角和节流效应 螺旋是一种具有沟槽，适当螺距，且轴与轴套间有一定的间隙c 的直通式 结构，如下图所示：无论怎样加工，必然产生一个尖角，以螺旋槽中的矩形槽 为例， ； 2 ( k 1 ；0 6 ，h = 0 9 m m ，c 一- - - 0 2 m m ，i = 4 ，b = 1 5 。) ； 3 ( k 1 = 0 6 ，h = o 1 2m m ，c = 0 2m m ，i = 3 ，b = 2 0 。) ； 4 ( k 1 = o 6 ，h = 0