迷宫螺旋密封及其在磁力搅拌器上的试验研究

李新勇，尹新权，杨昀梓，张永兴

（1．兰州工业学院，兰州 730050；2．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070）

迷宫螺旋密封及其在磁力搅拌器上的试验研究

李新勇1，尹新权1，杨昀梓1，张永兴2

（1．兰州工业学院，兰州 730050；2．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070）

迷宫螺旋密封在解决高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、含颗粒介质等苛刻条件下的密封问题具有独特优势。介绍了常用矩形、梯形、三角形螺旋槽形状迷宫螺旋密封的结构及原理。结合某型磁力搅拌器的实际工况，选择三角形迷宫螺旋组合密封对其原有水压密封进行改进及试验。试验结果表明：改进后的密封装置具有良好的密封效果，且不受外部供水环境影响，可节省水源，对使用环境适应性好，推广应用范围广阔。

迷宫螺旋密封；改进；磁力搅拌器；试验研究

迷宫螺旋密封是在单螺旋密封的基础上发展起来的一种新型径向非接触式动力密封装置，由1对加工有相反方向螺纹的螺旋轴和套组成。其特点是结构简单、适应性强、工作性能可靠、寿命长，对解决高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、含颗粒介质等苛刻条件下的密封问题具有独特优势。但由于其密封压力与转速的平方成正比，在停车时完全丧失了密封能力，故工作时需要配备停车密封装置，同时迷宫螺旋密封的密封压力都很小，只有0．1～0．9 MPa［1］。

本文考虑迷宫螺旋密封的应用范围及其特点，针对某型磁力搅拌装置被密封介质压力约为0．3 MPa的实际工况，对其原有水压密封结构作出改进，改进后装置通过试验应用，取得了良好的密封效果。

1 技术分析

1．1 结构组成

迷宫螺旋密封是在螺杆轴和衬套上分别开螺纹，衬套上的螺纹旋向与螺杆上的螺纹旋向相反。从现有资料可以看出，选用螺旋槽的迷宫螺旋密封具体结构形式有矩形、梯形、三角形等，其结构如图1所示。

图1 常用迷宫螺旋密封结构

迷宫螺旋密封一般由1个多头内螺纹的螺套定子和1个多头外螺纹的螺杆转子构成。密封介质位于轴两齿面和套筒两齿面所围成的若干个“蜂窝”状的工作空间内。

1．2 工作原理

当螺杆转子逆其自身螺旋方向旋转时，螺杆转子螺旋槽对槽中液体作用力一方面推动液体克服摩擦力作圆周运动，另一方面还推动液体沿轴向前进；与此同时，螺套定子螺纹对自身槽中的液体也有同样作用。螺杆转子和螺套定子对液体的总轴向推力就形成了迷宫螺旋体的“泵送压力”。高压侧流体在压差的作用下，顺着螺杆和螺套组成的螺旋槽间隙流动，形成压差流，即流量。当泵送流等于压差流时，迷宫螺旋组件对系统起到密封作用；当泵送流大于压差流时，迷宫螺旋组件相当于1台泵。

2 试验分析

2．1 结构选型

矩形、梯形、三角形等迷宫螺旋密封螺旋槽的槽型不同，所产生的泵送作用也就不同。由文献［2］可知，不同形状螺旋槽对应的泵送压力理论计算公式如下。

式中：v为螺旋圆周速度；α为螺旋升角；z为螺旋槽头数；l为螺旋体长度；t为螺旋槽节距；h为螺旋槽深；c为螺杆与螺套间的间隙。

根据以上公式可以看出：在转速和主要几何尺寸相同的情况下，3种形状螺纹对应的泵送压力关系为pj＜pt＜ps。由于磁力搅拌器多用于转速较低、介质黏度较大的工况，其选用迷宫螺旋密封时主要考虑泵送压力。因此，选螺旋槽为三角形螺纹的迷宫螺旋密封比较合适。

2．2 型式确定

从泵送压力理论计算公式可知：在停车时螺杆转子转速为零，完全丧失了密封能力，为避免停车时发生泄漏，应设置停车密封装置。停车密封装置种类较多，结合某型磁力搅拌装置结构特点，选择的组合密封型式如图2所示。

图2 某型磁力搅拌器迷宫螺旋组合密封结构

图2中，停车密封装置采用磁力机械端面密封，磁性材料选用钕铁硼，在磁性静环及动环摩擦副密封端面喷涂1层0．2～0．5 mm厚的碳化钨或硬质合金涂层，增加其耐磨性能及抗冲击性。同时，为简化其结构，不单独设计冲洗机构，采取在摩擦副开槽的形式来强化润滑和冷却。针对迷宫螺旋密封，根据文献［3］，可选择螺旋升角α＝70°，螺旋槽深h＝4 mm；考虑搅拌器轴的挠度，选取螺杆、螺套之间的间隙为c＝2 mm；根据磁力搅拌器结构及泵送压力要求，选择螺旋槽长度l＝200 mm。

搅拌器工作时，介质进入迷宫螺旋体，迷宫螺旋体泵送压力大于被密封介质压力，起到密封作用，即使有少量被密封介质进入迷宫螺旋体后方腔体，也可由磁力机械端面密封将其与冷却、润滑水隔离而实现密封；停车时，主要由磁力机械端面密封起作用。

2．3 密封试验

甘肃万健磁力传动科技有限公司的CTJ型烟气脱硫磁力搅拌器使用的是水压密封，通过外部提供压力高于被封介质压力的水阻碍介质外流的方法来进行密封。由于压力水流进吸收塔内而不能被循环利用，造成水消耗增加。另外，压力水同时还起到冷却、润滑作用，一旦停水，不仅不能密封，磁力传动装置还会升温，超过一定温度会导致磁性材料退磁，影响搅拌器转动。针对这种情况，对该型磁力搅拌器改用了如图2所示的迷宫螺旋组合密封，并进行了试验。

试验时，将磁力搅拌器轴从侧面伸入一小型试验浆液池壁内，通过搅拌器盖将搅拌器固定，由电动机经过二级减速器驱动磁力搅拌器外磁转子转动。根据实际工况，将转速限制在210～350 r／min。在25℃环境温度时，逐渐往浆液池内加入动力黏度为24 mPa·s的石灰水混合液，当搅拌器轴转速为210 r／min，磁力螺旋组合密封处压力为0．2 MPa时，无泄漏发生；当搅拌器轴转速为300 r／min，迷宫螺旋组合密封处压力为0．28 MPa时，无泄漏发生；当搅拌器轴转速为210 r／min，迷宫螺旋组合密封处压力为0．35 MPa时，有少量石灰水混和液经过组合密封渗入冷却润滑通道。

该型磁力搅拌器在某火力发电厂运行数据为：搅拌器轴转速210～350 r／min，密封桶右侧浆液池浆液压力0．15 MPa。根据以上试验结果，本文所设计的迷宫螺旋组合密封能够实现磁力传动搅拌器的无泄漏密封。如果该装置能够投入应用，只需给磁力搅拌装置设置1个外置水箱，不受供水条件限制，1个检修周期可节省用水约2 800 t，增加了装置的环境适应性。

3 结论

1） 对某型磁力搅拌器水压密封进行迷宫螺旋组合密封的改进，并进行试验。试验结果表明：改进后的密封装置对于含杂质的液体有较好的密封效果；同时，整个装置可不受外部供水环境影响，可节省水源，对使用环境适应性更好，有利于更大范围推广应用。

2） 改进后装置对试验所用含杂质混合液密封效果较好。迷宫螺旋密封装置中螺旋槽型式、参数的选择主要依据经验或试验调整，密封介质及其他因素对其影响有待更进一步研究。

［1］杜春玲，赵廷钊，李维熙，等．迷宫螺旋密封的发展及在矿井主排水电机上的应用［J］．煤炭工程，2008（4）：96-98．

［2］苏明德，黄素逸．计算流体力学基础［M］．北京：清华大学出版社，1997．

［3］王春林，邢岩，阮劲松，等．迷宫螺旋泵螺旋槽的实验研究［J］．水泵技术，2006（2）：18-20．

Labyrinth Screw Seal and Experimental Study on Magnetic Agitator

LI Xin-yong1，YIN Xin-quan1，YANG Yun-zi1，ZHANG Yong-xing2
（1．Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou 730050，China；2．Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China）

The labyrinth screw seal structure would have its unique advantages to solve the harsh operation conditions，such as sealing problems under high temperature，high pressure，flammable，explosive，corrosion and particle medium．The certain of the labyrinth screw seal is introduced，and its structure with the triangular-shaped thread，the rectangle-shaped thread and the ladder-shaped thread are proposed．The rectangle-shaped labyrinth screw combined seal was selected to improve the water pressure seal of the magnetic agitator considering its actual working condition，the experiment verified its better seal performance．

labyrinth screw seal；improvement；magnetic agitator；experimental study

TE926

A

1001-3482（2014）01-0063-03

2013-07-29

兰州市科技发展计划项目（2012-2-123）

李新勇（1971-），男，甘肃甘谷人，教授，硕士，主要从事机械设计和磁性材料研究。