变频调速型KDY输油泵螺旋密封

高峰

摘要：通过对变频调速型KDY输油泵结构分析，并通过理论研究和计算，确定了螺旋密封的结构和参数，证明了螺旋密封应用于该型泵是可行的。

关键词：KDY输油泵；螺旋密封；研究设计

1目前状况

魏荆线魏岗站、襄樊站采用KDY170-123.5X3型卧式水平中开离心输油泵4台，其密封采用集装式多弹簧单端面平衡型机械密封，密封动环和静环采用碳化硅对碳化硅的组合，机械密封为国产配件（四川日机）。机械密封作为泵机组最常用的密封方式广泛采用，但也存在结构复杂，维护量较大，维修成本高等缺点。

2研究、设计内容

结合KDY型输油泵结构图并测量部件相关尺寸，取得基础数据，进行螺旋密封理论计算和设计，得出可行性结论，确定螺旋密封结构参数和结构图设计。

3螺旋密封基本原理简介

螺旋密封是一种非接触式流体动力密封，无固体摩擦零件，其型式是在密封的轴或孔的表面上（或同时在两者上）切出螺旋槽。它们能消除引起介度泄露的压差，可以使轴封无泄露。而且，工作时无磨损、寿命长，特别适用于含颗粒介质的密封。螺旋密封的工作原理是当泵轴转动时，密封螺纹对充满在密封间隙内的粘性流体产生泵送压头，与被密封的介质压力相平衡，从而阻止流体泄露。螺旋密封工作时一方面有高压端的液体沿着轴上的螺旋槽向外泄漏，二是高压端的液体沿传动轴与固定套间的环形间隙向外泄漏， 三是外端低压端的液体， 由于螺旋槽的转动向高压端反向输送。

4螺旋密封主要参数

螺旋密封主要参数包括：螺纹牙型、转轴与静环间的半径间隙（δ）、螺旋槽深（h）、螺距（p）、螺旋角（a）、螺旋槽宽（s）、螺纹宽（b）螺纹头数（z）、螺纹工作长度（L）、螺牙圈数和螺纹旋向。合理选择上述参数对密封效果是很重要的。应根据设备的实际情况和螺旋密封的计算理论为依据，确定最佳密封参数从而获得理想的密封效果。

5螺旋密封参数设计计算

5.1螺旋密封设计思路及方法

螺旋作为螺旋密封的主体，其结构的优劣直接影响整个螺旋密封的封液能力。各个螺旋结构参数对封液能力的影响不是孤立的，而是相互关联的，其间的关系很复杂。其螺旋密封设计方法是根据设备实际情况，采用大量试算及优化的方法对其进行确定。实现对螺旋密封结构参数优化设计和确定。满足泵送流量（螺旋槽的反输能力）等于泄露量的要求，实现零泄漏。

5.2输油泵相关基础数据

泵轴直径：φ75mm；密封腔直径φ140mm；密封腔长度87.5mm。

5.3 螺旋密封各参数计算

5.3.1 螺纹长度确定

由于螺旋密封的尺寸受泵体相关尺寸的影响和控制，先根据泵体实际情况和尺寸，确定螺纹长度高、低压端均为120mm。

5.3.2 螺牙型式确定

常见螺牙型式有梯形、矩形、三角形等，以矩形螺牙效果较好，应用广泛，本次设计采用矩形螺牙。

5.3.3 螺旋槽宽度和螺牙宽度确定

根据螺旋槽密封系数（K）计算公式，为了使螺旋槽在单位长度上能封住一定的内压，即有较大的密封能力， 则密封系数应取大值。则螺旋槽宽度系数K1应取最大值为1/2。因此，这就要求牙宽与槽宽相等，参照表1取槽宽为2mm，牙宽为2mm。

5.3.4 螺距P确定（相邻两牙上对应点的轴向距离）

螺距P的大小关系到密封效果，为保证有一定的螺牙圈数，螺距宜选的小一些，根据槽宽和牙宽均为2mm，得之螺距为4mm。

5.3.5 导程确定

螺旋密封每头螺纹的工作圈数不宜过多， 否则影响及时回油。最好是当轴转动1.5-2转（多头螺旋）时， 能把螺纹外侧的油送回油池。一般推荐1.5-2圈。已知螺纹总长度为120mm，导程确定为77.84mm

5.3.6 螺旋角确定

根据设计手册，螺旋角一般在70-150。并根据螺旋密封运用复合型法，和计算机编程优化设计资料介绍，其最佳螺旋角为15040？，因此，螺旋角度取120。

5.3.7 螺纹头数z确定

螺纹头数与螺纹长度和轴径之间的理论关系为：当其它参数不变时， 螺纹头数越多、密封效果越好。当螺纹长度较短时， 必须增加螺纹头数，螺纹头数少时， 应选得长些好。轴的直径大， 螺纹头数要多，轴的直径小， 头数要少。

根据螺距及导程，可计算得螺纹头数z为10头。

5.3.8 密封间隙δ确定（螺旋密封与静环之间的半径间隙）

密封间隙越小，密封效果越好，但考虑到轴的振动、摩擦以及安装偏差等因素，密封间隙过小会造成密封过热失效。参照附表1，并根据设计规定一般δ=（0.6-2.6/1000）D，滑动轴承按（1.6-2.6/1000）D选取，因此本密封间隙确定为0.15mm。

5.3.9 螺旋槽深确定

根据密封系数计算公式： 当有最大的密封系数

时，螺旋密封有最大的密封能力。因此，合理确定螺旋槽深度将直接影响密封能力。根据已确定的螺旋槽宽系数K1为0.5，代入上式并参照附表1选取螺旋槽深度为0.3、0.4、0.5、0.8、1.2、1.5mm进行试算，确定合理的K2值，一般K2值为3-8，并根据螺旋密封运用复合型法和计算机编程优化设计结果取K2为3.0-4.0时有最大密封系数，因此，取K2为4，经计算确定螺旋槽深度为0.45mm。并代入上式得密封系数K为0.555。

K-密封系数、无量纲，

K1-螺旋槽宽系数K1=s/s+b

K2-螺旋槽深系数K2=δ+h/δ

s-螺旋槽宽mm

b-螺牙宽mm

δ-密封间隙mm

h-螺旋槽深mm

5.4、螺旋密封封液能力校核（有效密封长度）

根据封液能力计算公式P=μLυK/δ2

P-封液压差Mpa

μ-液体动力粘度，查原油粘温曲线（取输油泵原油进泵温度为40℃）取μ=100mPa/s=0.1Pa/s

L-螺纹工作长度m

υ-螺旋套的圆周速度m/s

按魏岗站和襄樊站泵运行的最高转速和最低转速分别计算（输油泵額定转速n为2980r/min，输油泵为变频调速运行），校核封液能力只选取正常运行时，两站泵最低和最高的转速，在泵变频启动过程从0到正常运转期间其转速和压力是成正比的，转速低泵压力也低，最高泵压下密封承受的是二级叶轮来压力约2.2Mpa。

5.4.1 在实际运行中最低转速下进行计算圆周速度

根据公式，密封转速越低其密封能力越差，取魏荆线双泵运行襄樊站泵压力最低为2.0Mpa左右，该压力时电源频率约为40Hz，根据公式计算其转速2400r/min，因此，圆周速度为πDn/60=11.3m/s。取双泵运行时魏岗站最低泵压0.8Mpa，该压力时电源频率约为28Hz，根据公式计算其转速1680r/min，此时圆周线速度为7.9m/s。

5.4.2 在最高转速下圆周速度

即额定转速2980r/min下的圆周速度，计算得转速为14m/s。

5.4.3 最低转速下密封封液能力

依据公式校核其襄樊站封液能力为3.55Mpa，其泵压为2.0Mpa左右，满足封液能力。（该泵为3级叶轮，高压端密封处为2级叶轮压力）；魏岗出泵压为0.8Mpa左右，封液能力1.3Mpa，封液能力满足要求。

5.4.4最高转速下密封封液能力

依据公式校核其封液能力为4.14Mpa。泵压最高为3.2Mpa左右，电源频率为48-49Hz，其高压端密封承受的为二级叶轮来压力为2.13Mpa左右，因此密封封液能力满足要求。

六 结论

通过对变频调速型KDY输油泵结构和工况进行分析，并通过理论分析、计算，螺旋密封应用与变频调速型KDY输油泵是可行的。