多級離心泵級間密封動力學特性研究

彭林

摘 要：槽式迷宮密封結構具有加工簡單、密封效果好等特點，在多級離心泵中應用十分廣泛。密封結構不僅能提高泵水力性能，對轉子運行穩定性及轉子動力學特性也具有重要作用。因此十分有必要對迷宮密封的密封力學特性進行相關研究。

關鍵詞：離心泵;迷宮密封;剛度系數;阻尼系數

1 泵密封特性計算模型

某超高壓多級離心泵運行流量為300m3/h，工作壓力為40MPa，工作轉速為5350r/min。

式中：F2、F3為與轉子軸線垂直和水平的流體支承力;X2和X3為與轉子軸線垂直和水平的流體位移;k、d和m為直接剛度、阻尼和質量系數;kq、dq和mq交叉剛度、阻尼和質量系數。

假定轉子圓形渦動，則密封特性系數可由徑向力Fr和切向力Ft確定，式在極坐標系下的表達式如下式所示。

式中：r是渦動半徑;Ω是渦動頻率。在確定邊界條件下，通過計算轉子在中心位置、轉子在偏心位置的流體流動以及轉子在不同進動頻率下的圓形渦動，利用數值方法迭代求解連續性方程、沖量方程和能量方程及式（2）可獲得流體作用力。

密封計算區域從密封前端開始，到密封后端結束，不考慮密封的上游和下游區域，但必須要假設上游入口輸入的壓力和切向速度。實際密封入口處壓力由入口損失系數確定，入口損失系數與速度有關，而速度又是未知的，尤其是軸向分量。因此，為確定軸向流動速度cax，假定初始軸向流動速度c`ax，通過迭代計算使cax=c`ax時，求得cax，計算基本公式如下。

考慮旋轉因子后的湍流摩擦系數：

密封間隙內軸向流動的雷諾數：

式中：Reu為密封間隙內周向流動的雷諾數，S為密封間隙，ΔH為密封壓差;L為密封長度;A為密封面積;ξEA為流動損失系數。

對密封計算分析來說，進口旋流（在密封區域上游的切向速度）是一個重要的輸入數據。在上游區域，它是一個平均的切向速度。齒在靜子上時此速度高于平均值，齒在轉子上時，此速度低于平均值。

2 迷宮密封動力學特性的研究

該泵中間軸套壓差高達20MPa，密封間隙0.25mm，密封軸套長度為192mm，密封半徑為78.95mm。考慮到對泄漏量的影響以及工程經驗，以密封齒厚h=1.54mm，齒距E=1.6mm，齒高B=0.8mm進行分析。而直接質量系數及交叉質量系數對轉子動力學特性的影響較小，故在此忽略。

2.1齒高對密封動力特性的影響

當密封參數為h=1.54mm，E=1.6mm時，不同齒高的密封剛度系數、阻尼系數及1階臨界轉速。當B=0，即為平面密封結構時，密封剛度系數、阻尼系數以及第1階臨界轉速Ncr1均為最大值。當01.0mm時，Ncr1增大不明顯，呈穩定狀態。

2.2齒厚對密封動力特性的影響

當密封參數為B=0.8mm，E=1.6mm時，不同齒厚的動力特性系數以及1階臨界轉速。

3.0mm3.0mm時，變化不明顯。隨著密封齒厚的增加，轉子系統的Ncr1逐漸減小。

2.3密封齒距對密封動力特性的影響

當密封參數為h=1.54mm，B=0.8mm時，不同密封齒距的密封動力特性系數以及第1階臨界轉速。隨著E的增大，主剛度、交叉剛度、主阻尼和交叉阻尼4個密封動力特性系數均逐漸減小，當3.0mm≤E<4.0mm時，各系數處于穩定，變化較小。隨著密封齒距的增加，轉子系統的Ncr1逐漸增大，在E≥3.0mm，Ncr1增大不明顯，呈穩定狀態。

結語

（1）環形平面密封的密封力特性系數顯著大于迷宮密封，因此采用環形平面密封對于提高轉子的濕態臨界轉速有較好的效果。（2）隨著密封齒高的增加，直接剛度系數及主阻尼系數均逐漸減小，主阻尼系數略呈上升趨勢，而齒高對交叉阻尼系數影響不大。迷宮密封的齒厚對剛度系數、阻尼系數及臨界轉速的影響較小，且1階臨界轉速隨齒厚增大逐漸減小。當齒距在3.0～4.0mm范圍時，1階臨界轉速隨齒距增加幾乎無變化。

參考文獻：

[1]涂必成.轉子時序效應對多級離心泵內流特性的數值分析[J].水泵技術，2021（01）：9-14.

[2]王軍太.多級離心泵取級改造節能研究[J].黑龍江科學，2020，11（24）：104-105.

[3]張翼飛，馬家炯，歐鳴雄.超高轉速多級離心泵設計選型時應特別關注的問題[J].水泵技術，2020（05）：1-6.