迷宮螺旋密封及其在磁力攪拌器上的試驗研究

李新勇，尹新權，楊昀梓，張永興

（1．蘭州工業學院，蘭州 730050；2．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

迷宮螺旋密封及其在磁力攪拌器上的試驗研究

李新勇1，尹新權1，楊昀梓1，張永興2

（1．蘭州工業學院，蘭州 730050；2．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

迷宮螺旋密封在解決高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、含顆粒介質等苛刻條件下的密封問題具有獨特優勢。介紹了常用矩形、梯形、三角形螺旋槽形狀迷宮螺旋密封的結構及原理。結合某型磁力攪拌器的實際工況，選擇三角形迷宮螺旋組合密封對其原有水壓密封進行改進及試驗。試驗結果表明：改進后的密封裝置具有良好的密封效果，且不受外部供水環境影響，可節省水源，對使用環境適應性好，推廣應用范圍廣闊。

迷宮螺旋密封；改進；磁力攪拌器；試驗研究

迷宮螺旋密封是在單螺旋密封的基礎上發展起來的一種新型徑向非接觸式動力密封裝置，由1對加工有相反方向螺紋的螺旋軸和套組成。其特點是結構簡單、適應性強、工作性能可靠、壽命長，對解決高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、含顆粒介質等苛刻條件下的密封問題具有獨特優勢。但由于其密封壓力與轉速的平方成正比，在停車時完全喪失了密封能力，故工作時需要配備停車密封裝置，同時迷宮螺旋密封的密封壓力都很小，只有0．1～0．9 MPa［1］。

本文考慮迷宮螺旋密封的應用范圍及其特點，針對某型磁力攪拌裝置被密封介質壓力約為0．3 MPa的實際工況，對其原有水壓密封結構作出改進，改進后裝置通過試驗應用，取得了良好的密封效果。

1 技術分析

1．1 結構組成

迷宮螺旋密封是在螺桿軸和襯套上分別開螺紋，襯套上的螺紋旋向與螺桿上的螺紋旋向相反。從現有資料可以看出，選用螺旋槽的迷宮螺旋密封具體結構形式有矩形、梯形、三角形等，其結構如圖1所示。

圖1 常用迷宮螺旋密封結構

迷宮螺旋密封一般由1個多頭內螺紋的螺套定子和1個多頭外螺紋的螺桿轉子構成。密封介質位于軸兩齒面和套筒兩齒面所圍成的若干個“蜂窩”狀的工作空間內。

1．2 工作原理

當螺桿轉子逆其自身螺旋方向旋轉時，螺桿轉子螺旋槽對槽中液體作用力一方面推動液體克服摩擦力作圓周運動，另一方面還推動液體沿軸向前進；與此同時，螺套定子螺紋對自身槽中的液體也有同樣作用。螺桿轉子和螺套定子對液體的總軸向推力就形成了迷宮螺旋體的“泵送壓力”。高壓側流體在壓差的作用下，順著螺桿和螺套組成的螺旋槽間隙流動，形成壓差流，即流量。當泵送流等于壓差流時，迷宮螺旋組件對系統起到密封作用；當泵送流大于壓差流時，迷宮螺旋組件相當于1臺泵。

2 試驗分析

2．1 結構選型

矩形、梯形、三角形等迷宮螺旋密封螺旋槽的槽型不同，所產生的泵送作用也就不同。由文獻［2］可知，不同形狀螺旋槽對應的泵送壓力理論計算公式如下。

式中：v為螺旋圓周速度；α為螺旋升角；z為螺旋槽頭數；l為螺旋體長度；t為螺旋槽節距；h為螺旋槽深；c為螺桿與螺套間的間隙。

根據以上公式可以看出：在轉速和主要幾何尺寸相同的情況下，3種形狀螺紋對應的泵送壓力關系為pj＜pt＜ps。由于磁力攪拌器多用于轉速較低、介質黏度較大的工況，其選用迷宮螺旋密封時主要考慮泵送壓力。因此，選螺旋槽為三角形螺紋的迷宮螺旋密封比較合適。

2．2 型式確定

從泵送壓力理論計算公式可知：在停車時螺桿轉子轉速為零，完全喪失了密封能力，為避免停車時發生泄漏，應設置停車密封裝置。停車密封裝置種類較多，結合某型磁力攪拌裝置結構特點，選擇的組合密封型式如圖2所示。

圖2 某型磁力攪拌器迷宮螺旋組合密封結構

圖2中，停車密封裝置采用磁力機械端面密封，磁性材料選用釹鐵硼，在磁性靜環及動環摩擦副密封端面噴涂1層0．2～0．5 mm厚的碳化鎢或硬質合金涂層，增加其耐磨性能及抗沖擊性。同時，為簡化其結構，不單獨設計沖洗機構，采取在摩擦副開槽的形式來強化潤滑和冷卻。針對迷宮螺旋密封，根據文獻［3］，可選擇螺旋升角α＝70°，螺旋槽深h＝4 mm；考慮攪拌器軸的撓度，選取螺桿、螺套之間的間隙為c＝2 mm；根據磁力攪拌器結構及泵送壓力要求，選擇螺旋槽長度l＝200 mm。

攪拌器工作時，介質進入迷宮螺旋體，迷宮螺旋體泵送壓力大于被密封介質壓力，起到密封作用，即使有少量被密封介質進入迷宮螺旋體后方腔體，也可由磁力機械端面密封將其與冷卻、潤滑水隔離而實現密封；停車時，主要由磁力機械端面密封起作用。

2．3 密封試驗

甘肅萬健磁力傳動科技有限公司的CTJ型煙氣脫硫磁力攪拌器使用的是水壓密封，通過外部提供壓力高于被封介質壓力的水阻礙介質外流的方法來進行密封。由于壓力水流進吸收塔內而不能被循環利用，造成水消耗增加。另外，壓力水同時還起到冷卻、潤滑作用，一旦停水，不僅不能密封，磁力傳動裝置還會升溫，超過一定溫度會導致磁性材料退磁，影響攪拌器轉動。針對這種情況，對該型磁力攪拌器改用了如圖2所示的迷宮螺旋組合密封，并進行了試驗。

試驗時，將磁力攪拌器軸從側面伸入一小型試驗漿液池壁內，通過攪拌器蓋將攪拌器固定，由電動機經過二級減速器驅動磁力攪拌器外磁轉子轉動。根據實際工況，將轉速限制在210～350 r／min。在25℃環境溫度時，逐漸往漿液池內加入動力黏度為24 mPa·s的石灰水混合液，當攪拌器軸轉速為210 r／min，磁力螺旋組合密封處壓力為0．2 MPa時，無泄漏發生；當攪拌器軸轉速為300 r／min，迷宮螺旋組合密封處壓力為0．28 MPa時，無泄漏發生；當攪拌器軸轉速為210 r／min，迷宮螺旋組合密封處壓力為0．35 MPa時，有少量石灰水混和液經過組合密封滲入冷卻潤滑通道。

該型磁力攪拌器在某火力發電廠運行數據為：攪拌器軸轉速210～350 r／min，密封桶右側漿液池漿液壓力0．15 MPa。根據以上試驗結果，本文所設計的迷宮螺旋組合密封能夠實現磁力傳動攪拌器的無泄漏密封。如果該裝置能夠投入應用，只需給磁力攪拌裝置設置1個外置水箱，不受供水條件限制，1個檢修周期可節省用水約2 800 t，增加了裝置的環境適應性。

3 結論

1） 對某型磁力攪拌器水壓密封進行迷宮螺旋組合密封的改進，并進行試驗。試驗結果表明：改進后的密封裝置對于含雜質的液體有較好的密封效果；同時，整個裝置可不受外部供水環境影響，可節省水源，對使用環境適應性更好，有利于更大范圍推廣應用。

2） 改進后裝置對試驗所用含雜質混合液密封效果較好。迷宮螺旋密封裝置中螺旋槽型式、參數的選擇主要依據經驗或試驗調整，密封介質及其他因素對其影響有待更進一步研究。

［1］杜春玲，趙廷釗，李維熙，等．迷宮螺旋密封的發展及在礦井主排水電機上的應用［J］．煤炭工程，2008（4）：96-98．

［2］蘇明德，黃素逸．計算流體力學基礎［M］．北京：清華大學出版社，1997．

［3］王春林，邢巖，阮勁松，等．迷宮螺旋泵螺旋槽的實驗研究［J］．水泵技術，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

蘭州市科技發展計劃項目（2012-2-123）

李新勇（1971-），男，甘肅甘谷人，教授，碩士，主要從事機械設計和磁性材料研究。