變頻調速型KDY輸油泵螺旋密封

高峰

摘要：通過對變頻調速型KDY輸油泵結構分析，并通過理論研究和計算，確定了螺旋密封的結構和參數，證明了螺旋密封應用于該型泵是可行的。

關鍵詞：KDY輸油泵；螺旋密封；研究設計

1目前狀況

魏荊線魏崗站、襄樊站采用KDY170-123.5X3型臥式水平中開離心輸油泵4臺，其密封采用集裝式多彈簧單端面平衡型機械密封，密封動環和靜環采用碳化硅對碳化硅的組合，機械密封為國產配件（四川日機）。機械密封作為泵機組最常用的密封方式廣泛采用，但也存在結構復雜，維護量較大，維修成本高等缺點。

2研究、設計內容

結合KDY型輸油泵結構圖并測量部件相關尺寸，取得基礎數據，進行螺旋密封理論計算和設計，得出可行性結論，確定螺旋密封結構參數和結構圖設計。

3螺旋密封基本原理簡介

螺旋密封是一種非接觸式流體動力密封，無固體摩擦零件，其型式是在密封的軸或孔的表面上（或同時在兩者上）切出螺旋槽。它們能消除引起介度泄露的壓差，可以使軸封無泄露。而且，工作時無磨損、壽命長，特別適用于含顆粒介質的密封。螺旋密封的工作原理是當泵軸轉動時，密封螺紋對充滿在密封間隙內的粘性流體產生泵送壓頭，與被密封的介質壓力相平衡，從而阻止流體泄露。螺旋密封工作時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軸與固定套間的環形間隙向外泄漏， 三是外端低壓端的液體， 由于螺旋槽的轉動向高壓端反向輸送。

4螺旋密封主要參數

螺旋密封主要參數包括：螺紋牙型、轉軸與靜環間的半徑間隙（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（z）、螺紋工作長度（L）、螺牙圈數和螺紋旋向。合理選擇上述參數對密封效果是很重要的。應根據設備的實際情況和螺旋密封的計算理論為依據，確定最佳密封參數從而獲得理想的密封效果。

5螺旋密封參數設計計算

5.1螺旋密封設計思路及方法

螺旋作為螺旋密封的主體，其結構的優劣直接影響整個螺旋密封的封液能力。各個螺旋結構參數對封液能力的影響不是孤立的，而是相互關聯的，其間的關系很復雜。其螺旋密封設計方法是根據設備實際情況，采用大量試算及優化的方法對其進行確定。實現對螺旋密封結構參數優化設計和確定。滿足泵送流量（螺旋槽的反輸能力）等于泄露量的要求，實現零泄漏。

5.2輸油泵相關基礎數據

泵軸直徑：φ75mm；密封腔直徑φ140mm；密封腔長度87.5mm。

5.3 螺旋密封各參數計算

5.3.1 螺紋長度確定

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

5.3.2 螺牙型式確定

常見螺牙型式有梯形、矩形、三角形等，以矩形螺牙效果較好，應用廣泛，本次設計采用矩形螺牙。

5.3.3 螺旋槽寬度和螺牙寬度確定

根據螺旋槽密封系數（K）計算公式，為了使螺旋槽在單位長度上能封住一定的內壓，即有較大的密封能力， 則密封系數應取大值。則螺旋槽寬度系數K1應取最大值為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（相鄰兩牙上對應點的軸向距離）

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

5.3.5 導程確定

螺旋密封每頭螺紋的工作圈數不宜過多， 否則影響及時回油。最好是當軸轉動1.5-2轉（多頭螺旋）時， 能把螺紋外側的油送回油池。一般推薦1.5-2圈。已知螺紋總長度為120mm，導程確定為77.84mm

5.3.6 螺旋角確定

根據設計手冊，螺旋角一般在70-150。并根據螺旋密封運用復合型法，和計算機編程優化設計資料介紹，其最佳螺旋角為15040？，因此，螺旋角度取120。

5.3.7 螺紋頭數z確定

螺紋頭數與螺紋長度和軸徑之間的理論關系為：當其它參數不變時， 螺紋頭數越多、密封效果越好。當螺紋長度較短時， 必須增加螺紋頭數，螺紋頭數少時， 應選得長些好。軸的直徑大， 螺紋頭數要多，軸的直徑小， 頭數要少。

根據螺距及導程，可計算得螺紋頭數z為10頭。

5.3.8 密封間隙δ確定（螺旋密封與靜環之間的半徑間隙）

密封間隙越小，密封效果越好，但考慮到軸的振動、摩擦以及安裝偏差等因素，密封間隙過小會造成密封過熱失效。參照附表1，并根據設計規定一般δ=（0.6-2.6/1000）D，滑動軸承按（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

根據密封系數計算公式： 當有最大的密封系數

時，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。根據已確定的螺旋槽寬系數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進行試算，確定合理的K2值，一般K2值為3-8，并根據螺旋密封運用復合型法和計算機編程優化設計結果取K2為3.0-4.0時有最大密封系數，因此，取K2為4，經計算確定螺旋槽深度為0.45mm。并代入上式得密封系數K為0.555。

K-密封系數、無量綱，

K1-螺旋槽寬系數K1=s/s+b

K2-螺旋槽深系數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（有效密封長度）

根據封液能力計算公式P=μLυK/δ2

P-封液壓差Mpa

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

L-螺紋工作長度m

υ-螺旋套的圓周速度m/s

按魏崗站和襄樊站泵運行的最高轉速和最低轉速分別計算（輸油泵額定轉速n為2980r/min，輸油泵為變頻調速運行），校核封液能力只選取正常運行時，兩站泵最低和最高的轉速，在泵變頻啟動過程從0到正常運轉期間其轉速和壓力是成正比的，轉速低泵壓力也低，最高泵壓下密封承受的是二級葉輪來壓力約2.2Mpa。

5.4.1 在實際運行中最低轉速下進行計算圓周速度

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

5.4.2 在最高轉速下圓周速度

即額定轉速2980r/min下的圓周速度，計算得轉速為14m/s。

5.4.3 最低轉速下密封封液能力

依據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級葉輪，高壓端密封處為2級葉輪壓力）；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最高轉速下密封封液能力

依據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葉輪來壓力為2.13Mpa左右，因此密封封液能力滿足要求。

六 結論

通過對變頻調速型KDY輸油泵結構和工況進行分析，并通過理論分析、計算，螺旋密封應用與變頻調速型KDY輸油泵是可行的。