多级离心泵级间密封动力学特性研究

彭林

摘 要：槽式迷宫密封结构具有加工简单、密封效果好等特点，在多级离心泵中应用十分广泛。密封结构不仅能提高泵水力性能，对转子运行稳定性及转子动力学特性也具有重要作用。因此十分有必要对迷宫密封的密封力学特性进行相关研究。

关键词：离心泵;迷宫密封;刚度系数;阻尼系数

1 泵密封特性计算模型

某超高压多级离心泵运行流量为300m3/h，工作压力为40MPa，工作转速为5350r/min。

式中：F2、F3为与转子轴线垂直和水平的流体支承力;X2和X3为与转子轴线垂直和水平的流体位移;k、d和m为直接刚度、阻尼和质量系数;kq、dq和mq交叉刚度、阻尼和质量系数。

假定转子圆形涡动，则密封特性系数可由径向力Fr和切向力Ft确定，式在极坐标系下的表达式如下式所示。

式中：r是涡动半径;Ω是涡动频率。在确定边界条件下，通过计算转子在中心位置、转子在偏心位置的流体流动以及转子在不同进动频率下的圆形涡动，利用数值方法迭代求解连续性方程、冲量方程和能量方程及式（2）可获得流体作用力。

密封计算区域从密封前端开始，到密封后端结束，不考虑密封的上游和下游区域，但必须要假设上游入口输入的压力和切向速度。实际密封入口处压力由入口损失系数确定，入口损失系数与速度有关，而速度又是未知的，尤其是轴向分量。因此，为确定轴向流动速度cax，假定初始轴向流动速度c`ax，通过迭代计算使cax=c`ax时，求得cax，计算基本公式如下。

考虑旋转因子后的湍流摩擦系数：

密封间隙内轴向流动的雷诺数：

式中：Reu为密封间隙内周向流动的雷诺数，S为密封间隙，ΔH为密封压差;L为密封长度;A为密封面积;ξEA为流动损失系数。

对密封计算分析来说，进口旋流（在密封区域上游的切向速度）是一个重要的输入数据。在上游区域，它是一个平均的切向速度。齿在静子上时此速度高于平均值，齿在转子上时，此速度低于平均值。

2 迷宫密封动力学特性的研究

该泵中间轴套压差高达20MPa，密封间隙0.25mm，密封轴套长度为192mm，密封半径为78.95mm。考虑到对泄漏量的影响以及工程经验，以密封齿厚h=1.54mm，齿距E=1.6mm，齿高B=0.8mm进行分析。而直接质量系数及交叉质量系数对转子动力学特性的影响较小，故在此忽略。

2.1齿高对密封动力特性的影响

当密封参数为h=1.54mm，E=1.6mm时，不同齿高的密封刚度系数、阻尼系数及1阶临界转速。当B=0，即为平面密封结构时，密封刚度系数、阻尼系数以及第1阶临界转速Ncr1均为最大值。当01.0mm时，Ncr1增大不明显，呈稳定状态。

2.2齿厚对密封动力特性的影响

当密封参数为B=0.8mm，E=1.6mm时，不同齿厚的动力特性系数以及1阶临界转速。

3.0mm3.0mm时，变化不明显。随着密封齿厚的增加，转子系统的Ncr1逐渐减小。

2.3密封齿距对密封动力特性的影响

当密封参数为h=1.54mm，B=0.8mm时，不同密封齿距的密封动力特性系数以及第1阶临界转速。随着E的增大，主剛度、交叉刚度、主阻尼和交叉阻尼4个密封动力特性系数均逐渐减小，当3.0mm≤E<4.0mm时，各系数处于稳定，变化较小。随着密封齿距的增加，转子系统的Ncr1逐渐增大，在E≥3.0mm，Ncr1增大不明显，呈稳定状态。

结语

（1）环形平面密封的密封力特性系数显著大于迷宫密封，因此采用环形平面密封对于提高转子的湿态临界转速有较好的效果。（2）随着密封齿高的增加，直接刚度系数及主阻尼系数均逐渐减小，主阻尼系数略呈上升趋势，而齿高对交叉阻尼系数影响不大。迷宫密封的齿厚对刚度系数、阻尼系数及临界转速的影响较小，且1阶临界转速随齿厚增大逐渐减小。当齿距在3.0～4.0mm范围时，1阶临界转速随齿距增加几乎无变化。

参考文献：

[1]涂必成.转子时序效应对多级离心泵内流特性的数值分析[J].水泵技术，2021（01）：9-14.

[2]王军太.多级离心泵取级改造节能研究[J].黑龙江科学，2020，11（24）：104-105.

[3]张翼飞，马家炯，欧鸣雄.超高转速多级离心泵设计选型时应特别关注的问题[J].水泵技术，2020（05）：1-6.