變頻調(diào)速型KDY輸油泵螺旋密封

高峰

摘要：通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速型KDY輸油泵結(jié)構(gòu)分析，并通過(guò)理論研究和計(jì)算，確定了螺旋密封的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，證明了螺旋密封應(yīng)用于該型泵是可行的。

關(guān)鍵詞：KDY輸油泵；螺旋密封；研究設(shè)計(jì)

1目前狀況

魏荊線魏崗站、襄樊站采用KDY170-123.5X3型臥式水平中開(kāi)離心輸油泵4臺(tái)，其密封采用集裝式多彈簧單端面平衡型機(jī)械密封，密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)采用碳化硅對(duì)碳化硅的組合，機(jī)械密封為國(guó)產(chǎn)配件（四川日機(jī)）。機(jī)械密封作為泵機(jī)組最常用的密封方式廣泛采用，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)量較大，維修成本高等缺點(diǎn)。

2研究、設(shè)計(jì)內(nèi)容

結(jié)合KDY型輸油泵結(jié)構(gòu)圖并測(cè)量部件相關(guān)尺寸，取得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行螺旋密封理論計(jì)算和設(shè)計(jì)，得出可行性結(jié)論，確定螺旋密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)。

3螺旋密封基本原理簡(jiǎn)介

螺旋密封是一種非接觸式流體動(dòng)力密封，無(wú)固體摩擦零件，其型式是在密封的軸或孔的表面上（或同時(shí)在兩者上）切出螺旋槽。它們能消除引起介度泄露的壓差，可以使軸封無(wú)泄露。而且，工作時(shí)無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)，特別適用于含顆粒介質(zhì)的密封。螺旋密封的工作原理是當(dāng)泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，密封螺紋對(duì)充滿在密封間隙內(nèi)的粘性流體產(chǎn)生泵送壓頭，與被密封的介質(zhì)壓力相平衡，從而阻止流體泄露。螺旋密封工作時(shí)一方面有高壓端的液體沿著軸上的螺旋槽向外泄漏，二是高壓端的液體沿傳動(dòng)軸與固定套間的環(huán)形間隙向外泄漏， 三是外端低壓端的液體， 由于螺旋槽的轉(zhuǎn)動(dòng)向高壓端反向輸送。

4螺旋密封主要參數(shù)

螺旋密封主要參數(shù)包括：螺紋牙型、轉(zhuǎn)軸與靜環(huán)間的半徑間隙（δ）、螺旋槽深（h）、螺距（p）、螺旋角（a）、螺旋槽寬（s）、螺紋寬（b）螺紋頭數(shù)（z）、螺紋工作長(zhǎng)度（L）、螺牙圈數(shù)和螺紋旋向。合理選擇上述參數(shù)對(duì)密封效果是很重要的。應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況和螺旋密封的計(jì)算理論為依據(jù)，確定最佳密封參數(shù)從而獲得理想的密封效果。

5螺旋密封參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1螺旋密封設(shè)計(jì)思路及方法

螺旋作為螺旋密封的主體，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)螺旋密封的封液能力。各個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)封液能力的影響不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，其間的關(guān)系很復(fù)雜。其螺旋密封設(shè)計(jì)方法是根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況，采用大量試算及優(yōu)化的方法對(duì)其進(jìn)行確定。實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和確定。滿足泵送流量（螺旋槽的反輸能力）等于泄露量的要求，實(shí)現(xiàn)零泄漏。

5.2輸油泵相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

泵軸直徑：φ75mm；密封腔直徑φ140mm；密封腔長(zhǎng)度87.5mm。

5.3 螺旋密封各參數(shù)計(jì)算

5.3.1 螺紋長(zhǎng)度確定

由于螺旋密封的尺寸受泵體相關(guān)尺寸的影響和控制，先根據(jù)泵體實(shí)際情況和尺寸，確定螺紋長(zhǎng)度高、低壓端均為120mm。

5.3.2 螺牙型式確定

常見(jiàn)螺牙型式有梯形、矩形、三角形等，以矩形螺牙效果較好，應(yīng)用廣泛，本次設(shè)計(jì)采用矩形螺牙。

5.3.3 螺旋槽寬度和螺牙寬度確定

根據(jù)螺旋槽密封系數(shù)（K）計(jì)算公式，為了使螺旋槽在單位長(zhǎng)度上能封住一定的內(nèi)壓，即有較大的密封能力， 則密封系數(shù)應(yīng)取大值。則螺旋槽寬度系數(shù)K1應(yīng)取最大值為1/2。因此，這就要求牙寬與槽寬相等，參照表1取槽寬為2mm，牙寬為2mm。

5.3.4 螺距P確定（相鄰兩牙上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軸向距離）

螺距P的大小關(guān)系到密封效果，為保證有一定的螺牙圈數(shù)，螺距宜選的小一些，根據(jù)槽寬和牙寬均為2mm，得之螺距為4mm。

5.3.5 導(dǎo)程確定

螺旋密封每頭螺紋的工作圈數(shù)不宜過(guò)多， 否則影響及時(shí)回油。最好是當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)1.5-2轉(zhuǎn)（多頭螺旋）時(shí)， 能把螺紋外側(cè)的油送回油池。一般推薦1.5-2圈。已知螺紋總長(zhǎng)度為120mm，導(dǎo)程確定為77.84mm

5.3.6 螺旋角確定

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，螺旋角一般在70-150。并根據(jù)螺旋密封運(yùn)用復(fù)合型法，和計(jì)算機(jī)編程優(yōu)化設(shè)計(jì)資料介紹，其最佳螺旋角為15040？，因此，螺旋角度取120。

5.3.7 螺紋頭數(shù)z確定

螺紋頭數(shù)與螺紋長(zhǎng)度和軸徑之間的理論關(guān)系為：當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)， 螺紋頭數(shù)越多、密封效果越好。當(dāng)螺紋長(zhǎng)度較短時(shí)， 必須增加螺紋頭數(shù)，螺紋頭數(shù)少時(shí)， 應(yīng)選得長(zhǎng)些好。軸的直徑大， 螺紋頭數(shù)要多，軸的直徑小， 頭數(shù)要少。

根據(jù)螺距及導(dǎo)程，可計(jì)算得螺紋頭數(shù)z為10頭。

5.3.8 密封間隙δ確定（螺旋密封與靜環(huán)之間的半徑間隙）

密封間隙越小，密封效果越好，但考慮到軸的振動(dòng)、摩擦以及安裝偏差等因素，密封間隙過(guò)小會(huì)造成密封過(guò)熱失效。參照附表1，并根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定一般δ=（0.6-2.6/1000）D，滑動(dòng)軸承按（1.6-2.6/1000）D選取，因此本密封間隙確定為0.15mm。

5.3.9 螺旋槽深確定

根據(jù)密封系數(shù)計(jì)算公式： 當(dāng)有最大的密封系數(shù)

時(shí)，螺旋密封有最大的密封能力。因此，合理確定螺旋槽深度將直接影響密封能力。根據(jù)已確定的螺旋槽寬系數(shù)K1為0.5，代入上式并參照附表1選取螺旋槽深度為0.3、0.4、0.5、0.8、1.2、1.5mm進(jìn)行試算，確定合理的K2值，一般K2值為3-8，并根據(jù)螺旋密封運(yùn)用復(fù)合型法和計(jì)算機(jī)編程優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果取K2為3.0-4.0時(shí)有最大密封系數(shù)，因此，取K2為4，經(jīng)計(jì)算確定螺旋槽深度為0.45mm。并代入上式得密封系數(shù)K為0.555。

K-密封系數(shù)、無(wú)量綱，

K1-螺旋槽寬系數(shù)K1=s/s+b

K2-螺旋槽深系數(shù)K2=δ+h/δ

s-螺旋槽寬mm

b-螺牙寬mm

δ-密封間隙mm

h-螺旋槽深mm

5.4、螺旋密封封液能力校核（有效密封長(zhǎng)度）

根據(jù)封液能力計(jì)算公式P=μLυK/δ2

P-封液壓差Mpa

μ-液體動(dòng)力粘度，查原油粘溫曲線（取輸油泵原油進(jìn)泵溫度為40℃）取μ=100mPa/s=0.1Pa/s

L-螺紋工作長(zhǎng)度m

υ-螺旋套的圓周速度m/s

按魏崗站和襄樊站泵運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速分別計(jì)算（輸油泵額定轉(zhuǎn)速n為2980r/min，輸油泵為變頻調(diào)速運(yùn)行），校核封液能力只選取正常運(yùn)行時(shí)，兩站泵最低和最高的轉(zhuǎn)速，在泵變頻啟動(dòng)過(guò)程從0到正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間其轉(zhuǎn)速和壓力是成正比的，轉(zhuǎn)速低泵壓力也低，最高泵壓下密封承受的是二級(jí)葉輪來(lái)壓力約2.2Mpa。

5.4.1 在實(shí)際運(yùn)行中最低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行計(jì)算圓周速度

根據(jù)公式，密封轉(zhuǎn)速越低其密封能力越差，取魏荊線雙泵運(yùn)行襄樊站泵壓力最低為2.0Mpa左右，該壓力時(shí)電源頻率約為40Hz，根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)速2400r/min，因此，圓周速度為πDn/60=11.3m/s。取雙泵運(yùn)行時(shí)魏崗站最低泵壓0.8Mpa，該壓力時(shí)電源頻率約為28Hz，根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)速1680r/min，此時(shí)圓周線速度為7.9m/s。

5.4.2 在最高轉(zhuǎn)速下圓周速度

即額定轉(zhuǎn)速2980r/min下的圓周速度，計(jì)算得轉(zhuǎn)速為14m/s。

5.4.3 最低轉(zhuǎn)速下密封封液能力

依據(jù)公式校核其襄樊站封液能力為3.55Mpa，其泵壓為2.0Mpa左右，滿足封液能力。（該泵為3級(jí)葉輪，高壓端密封處為2級(jí)葉輪壓力）；魏崗出泵壓為0.8Mpa左右，封液能力1.3Mpa，封液能力滿足要求。

5.4.4最高轉(zhuǎn)速下密封封液能力

依據(jù)公式校核其封液能力為4.14Mpa。泵壓最高為3.2Mpa左右，電源頻率為48-49Hz，其高壓端密封承受的為二級(jí)葉輪來(lái)壓力為2.13Mpa左右，因此密封封液能力滿足要求。

六 結(jié)論

通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速型KDY輸油泵結(jié)構(gòu)和工況進(jìn)行分析，并通過(guò)理論分析、計(jì)算，螺旋密封應(yīng)用與變頻調(diào)速型KDY輸油泵是可行的。