泵送型无泄漏密封装置设计

泵送型无泄漏密封装置设计

陈进

（江苏省、宝应县、江苏迎浪科技集团有限公司２２５８００）

摘要：本设计涉及泵技术领域中的密封技术，在于轴封是由两级密封构成，在二级密封中间增设隔离套，使各级密封处于独立运作状态，输送介质与隔离液分离，确保输送介质无泄漏。并且。第一级单端面机械密封前设有泵送型密封环，而其后的单端面机械密封结构中的动环与静环换位。接着采用的隔离套是机械密封的创新结构，使其后的冷却、冲洗液在又一次泵送和双端面机封的作用下更好的工作，从而使整个装置达到完善状态。

关键词：机械密封；泵送型；隔离套；单端面机封；动静环换位：冷却；冲洗：双端面机封

目前在所有密封技术的文献中，泵的轴封装置一般采用填料密封，单端面机封，双端面机封及其它的组合装置。这些密封装置都难以避免输送介质由动静结合面向外部泄漏，无法实现输送介质与隔离液的分离，所以无法满足输送有毒、有害或昂贵介质的要求，甚至能造成不必要的损耗和污染，并可能对人身造成伤害。

针对上述存在的问题提出了一种泵送型组合式无泄漏密封装置的新概念，并按此概念进行了全新的设计，设计的理念是：密封泄漏量≤０．０５ｍｌ／ｈ，实现介质的零泄漏。

１设计总体方案的提出

总体方案如图１所示

Ｉ、叶轮２、泵送型密封环３、单端面机械密封４、隔离套５、泵送型双端面机械密封图１泵送型无泄漏密封装置装配圈

一般离心泵旋转部件（转子部件）与静止部件的接触部分（即轴封）为介质的主要泄漏区域，该设计方案即是针对此处而亩。首先，介质的泄漏方向是从叶轮后高压区向泵轴处的低压区进行，在此处如增加一个反压力来平衡则可起到良好的密封效果，图中件２即是产生反压力的平衡装置．这是一组旋向相反的内外泵送螺纹环，在它的后面装一级一般的单端面机械密封装置，它的作用是密封因平衡装置平衡不彻底泄漏出的介质。为了使密封装置彻底地杜绝泄漏，在图ｌ所示的件４即是增加了该密封装置的特色设计，叫隔离套，隔离套的外面即是前讲的第一级组合的密封形式，而隔离套的里面即是第二级双端面组合式机封。隔离套一方面隔离了第一级密封和第二级密封，使从图１的中间腔中泄漏出来的介质再次得到第二级的密封，另一方面，隔离套使第一级密封与第二级密封可靠地进行串联，其结构紧凑。

图１中的件３为单端面机械密封，考虑到泵结构的合理性、安装的方便性及密封的可靠性，单端面机械密封的动静环设计时进行了换位，即一般单端面机械密封的静环设计为动环，动环设计为静环。件５即是第二级密封，为了增加密封效果，该级密封设计成双端面，该动环的外圆设计为泵送型结构，泵送结构的泵动力源自于与泵轴的同速转动力，此泵送结构的两端各设计成～组动静环结合的机械密封形式。

综上所述，图ｌ所示的密封装置结构、密封过程与层次是这样的：首先是一组旋向相反的泵送型密封环，构成第一次密封，从该环漏出的介质再经过一组单端面机封作第二次密封。从第二次密封漏出的介质至中间腔，由中间腔经双端面机械密封左端静环与泵轴套筒处问泄漏出的介质经过双端面机械密封的左端动静环结合面作第三次密封，从左端密封面泄漏出的介质（实测此处已没有什么介质）被隔离套内壁处的双端面机械密封动环外设的螺旋式泵送环作第四次密封，假定通过此再有介质漏出，则到该泵送型螺旋环的右端，还有一对密封副，作第五次密封。通过如上所述的层层密封和对每层的精密设计，事实上也经做到完全无泄漏，实现了“介质零泄漏”的设计理念。

２第一级泵送型密封环的设计

如上所述，此处为第一级密封。设计成复合直通式螺旋密封结构，见图２，有关设计计算及参数如下；

图２泵送型直通式密封环

从文献得知，当螺旋角Ｂ超过１３。以后，密封系数最大值不再有明显的变化?例如当Ｂ＝１５．８。时，间隙比为３．５，密封系数的最大值为０．５５，并且螺旋角０和间隙比在相当范围内变化时，密封系数变化不大，这就为设计时选择螺旋几何尺寸的提供了很大的空闻ａ

２．１螺旋旋向和螺旋角的确定７４

螺旋槽在旋转时，必须对充满在间隙内的液体产生与泄漏方向向反的泵送作用，即阻止介质的泄漏。所以复合直通式螺旋面的动面螺旋方向应与动面所在转动方向向反，则静面螺旋方向应与动丽所在转动方向相同。另外，为了得到最大的泵送流量，螺旋角应大于４５。，但事实上如前所述，当螺旋角超过１３。时，密封系数最大值不再有明显增大，并且密封效果要好时，应有大的泄流阻力，所以应减小螺旋角。设计时应保证有太的泄流阻力以达到最好的密封效果。因此本设计取螺旋角为１５。。这里取１５。的目的是为了达到最大的泵送流量，并且实现泄漏和泵送的Ｉ临界平衡。

２．２最佳螺旋尺寸的设计

螺旋密封的许多文献表明，为了讨论最佳螺旋尺寸，往往给出多组以层流为例的方程组，但对诸多文献分析表明，只有二组完全方程组有重要的参考价值，可以在实际应用中得到明确的指导作用，它们是：压差方程组和功率消耗方程组。

螺旋密封所产生的压力，必须等于或稍大于被密封流体的压力，如此才能达到密封的目的：螺旋密封在运行中为了克服在其间隙中由于液体分子及液体中某些混流介质的相互运动而产生的摩擦阻力，就要消耗来自于泵轴上的一定动力。这二者的因果关系要是不产生压差就不能密封，不消耗功率就不能产生压差（所以螺旋密封在静态时不产生密封作用。而且留出的复合直通层会出现泵内残液的泄漏理象），从而在设计中必须抓主要的因果关系，从文献得知，压差因子ＣａＰ与螺旋参数ｔ，ｋｌ，ｋ２有如下关系曲线，功耗因子ＣＮ与螺旋参数ｔ，ｋｌ，ｋ２有如下关系曲线，分别见下图３，图４。

图３压差因子ｃ。，与螺旋参数（ｔ，ｋ”ｋ？，的关系

蹦¨¨¨¨¨¨¨

图４功耗因子ｃＮ与螺旋参数（ｔ，ｋ”ｋ”的关系

上图中有关参数的说明

ＣⅢ压差因子，又叫：压头参数

ＣＮ：功耗因子

ｔ：所取螺旋角的正切函数．这里：ｔ＝ｔｇｌ５。２０．２６７９

Ｋ。：螺旋相对槽深：

ａ

Ｋ１２ａ＋ｂ

式中：ａ为槽宽；ａ＋ｂ为螺距

Ｋｚ：螺旋相对槽宽：

ｈ＋ｓ

Ｋ２＝

Ｓ

式中：ｓ：齿顶间隙

ｈ：槽深

所谓最佳螺旋密封的设计，就是使ＣａＰ尽可能大，ＣＮ尽可能小的螺旋几何参数，从图３和图４分析．参看Ｂ＝１５。的曲线：

对图３讨论：如ＣａＰ尽可能大时，，则Ｉ／Ｃ。Ｐ就尽可能小，对１５。曲线而言，Ｋｚ取≤４时，１５。曲线出现最低拐点，使１／Ｃ。Ｐ值出现最小，所以取Ｋｚ＝４。再从图中分析Ｋｔ。当Ｋ．＝０．５和Ｋ产０．８时，对１５。曲线影响不是很大，所以从图３的分析可知，Ｋｔ＝４，Ｋ。关系不大。为最佳选择。

对图４讨论：首先如前讨论，基本确定Ｂ一１５。，Ｌ－＝４，把Ｋ２＝４在图４中验证，发现在图中当Ｋ２＞４时，ＣＮ有下降势，但变化量很小，所以结合图３的分析，可以最终确定Ｋ。＝４是最佳值，又图中可见，Ｋ，上升时，ＣＮ上升的趋势很大很明显，Ｋ一从０．５上升到０．８时，ＣＮ在ｌ（２＝４处上升超过了０．６，而前者只有ＣＮ在０．３与０．４之间，综合图３和４最终定Ｋ－＝０．５。

综上所述。最佳密封状态的设计由于考虑了主要问题是阻流，槽应浅面窄，并应减少螺旋角，又不失兼顾其它，确认取：Ｋ。＝Ｏ．５，Ｋ２＝４，Ｂ＝１５。。

根据此密封在我公司泵上的采用情况，有三点结论在如下螺旋密封的最佳几何尺寸设计中很重要：●螺旋密封的长度与螺旋密封的直径之比应尽可能大：

●螺旋密封的顶隙与螺旋密封的直径之比应尽可能小；

●认真执行如上对毙，ｌ（２，Ｂ的确定。

如此，从不失结构紧凑的角度去考虑，在认为应确保密封的前提下（最后由试验确定）取此处的螺旋最大直径ｄ＝由１１０ｍ，密封面长度Ｌ＝１７衄，顶隙Ｓ＝Ｏ．７，ｌ（ｚ＝４，所以

４＝——＝—◆３Ｓ＝ｈ，为此，ｈ＝２．１，即槽深为２．１嘶。Ｓｈ＋Ｓ

设该螺旋密封为ｎ头，从经过试验和力保结构紧凑出发，并仿普通螺纹的结构计算方法得如下计算简图。

圈

Ⅱ?ｄ

ｎ（ａ＋ｂ）

蟾１５。＝

“?ｄ

咿

ｒ●。●Ｌｎ（ａ＋ｂ）１１０“｜Ｉ．Ｄ～一伫２詈

即：ｔｇｌ５。＝２ｎａ／１１０Ⅱ

从以上；ＫＩ＝０．５，即槽宽应是螺距（或齿距）的一半，为此槽宽取：２．１∞，一般采用方牙螺纹。显然宽度也应为２．１ｍ．

所以

２ｘ２．１．ｎ

ｔｇｌ５。＝

１１０Ⅱ

ｔｇｌ５。×１１０Ⅱ

４．２

取ｎ＝２２头，修正Ｂ，

２２×２．１×２

ｔ９１３女Ｒ＝＝０．２７

¨ＯＷ

７Ｂ女Ｒ＝１４．０７。＝１４。５８

该上所设计第一级泵送螺旋密封是一对互为旋向相反的矩形螺纹，主动螺纹固联在叶轮的后密封环上，它的旋向由所确保泵送决定，螺纹的头数为２２头。螺旋角为１４。５８’。两螺旋环间隙为０．７ｍｍ，齿宽等于槽宽槽深，都为２．１衄，它的外径为１１０ｍｔ，从保证结构角度考虑长度取１７衄。

３单端面机械密封的选用

３．１密封条件的分析

机械密封的设计通常是按照其标准或推荐值来选用，因为机械密封的工作条件中涉及的因素太多，即使用计算来设计也只能得到大体数值，所以本设计以工作条件套用标准来选用。

经过螺旋泵送后漏出的介质会来到该机械密封处，该处的特点是工作直径较大，并且被密封的介质经过上述泵送后，泄漏的压力会明显下降，所以该处密封端面上的比压也会随着减小，另外更重要的一点是密封介质的进入方向，从图中明显看出是与离心力的方向相反。从而这更加有利于密封。３．２选型与材料

从以上密封条件的分析，为了适合多种恶劣的工作条件，使泵能输送有毒，腐蚀等各种介质，所以应选用外装型，使压力弹簧处于被密封介质的外部，在原动环的位置上。改放为静环，作动环使用，这样动、静环倒置，使结构合理，密封效果好。安装方便，延长了密封的寿命。

从图１中明显看出，正是由于第一级中的泵送作用，一方面使介质压力作用在左端面上，可以抵消端面的反推力，另一方面是通过泵送作用之后，介质的压力得以大大的下降，这样使右端面处的弹簧很容易的来平衡端面上液体的反推力，所以在工作中，端面液体的反推力不可能打开端面，确保了密封的可靠性。从以上分析还得知，液体是以逆离心力方向进入密封端面的，离心力阻止了液体泄漏，所以选用内流型更加适合产品的需要，符合含有杂质的介质液体。

１７７

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动、静环按常规材料选用必须是一软一硬，但考虑到实际情况，在输送的液体介质中含有一定量的固体杂质，所以如果选用软材料，必然加速密封面的磨损使该处的密封寿命变得很短，考虑到这样复杂的密封装置其拆修也同样复杂，所以在设计时选材应尽是延长密封时间，提高密封寿命。在目前材料技术能做到的前提下，根据密封介质的特点，动静环都最好选用耐磨材料制造，这样最大限度的提高了该处单端面机封的寿命。同时。把密封端面都做成窄环．并取相同的端面宽度，是因为由于此处的直径特别的大。必须能满足安装下一个密封元件，同时该处摩擦力的变化，摩擦端面线速度的变化，将会对泵轴功耗的影响比较敏感，所以密封端面的直径尽可能做小，也做到尽可能的窄，这必将使泵用于这方面的轴功耗得到明显的下降，同时端面润滑。冷却效果上升，磨损，泄漏因素下降，并且生产制作该密封的工艺能力和经济效果得到最大的提升。

４隔离套的作用

初看起来，隔离套与总体设计的密封装置中的密封作用不是很大，但其实不然，它是本密封装置中不可缺省的构件，它在分开了全体装置的同时又更加完善了全体装置，它主要分开了泵送之后的单端面密封与其后的泵送之后的双端面密封。这仅是它分开的表面现象，而实质上它是完全隔离两种不同的介质，这意味着隔开之前的介质是完全不可能漏出。因此，隔离套是本设计理念“介质零泄漏”的关键元件，并且隔离套阻断了二个泵送螺旋的吞气现象。

综合分析许多机械密封，采用隔离套结构实不多见，所以这种形式的结构正是本总体设计的创新之处。

５泵送型双端面机封的设计

５．１本级泵送螺旋的设计

如前所述，本级泵送螺旋仍然采用本文所分析过的优化参数；Ｂ＝１５。，Ｋ－２０．５，Ｋｚ＝４，在此基础上根据本级的实际情况来确定有关的几何参数，设计简图如下图５：

图５泵送型双端面机械密封结构示意图

从图中可见，隔离套的内径到泵送螺旋的外径即为齿顶间隙Ｓ，显然它的数值Ｓ２０．４棚，螺旋副的长度为３７ｏ

外径ｄ＝中５６．２“１７８

套用如上分析得出的最佳值的方程式为

ｎ（ａ＋ｂ）

ｔｇｌ５。＝

Ⅱ．ｄ

ｎ（ａ＋ｂ）

０．５＝

ＪＩ．ｄ

ｈ＋ｓ

０．５＝

Ｓ

Ｓ＝Ｏ．４

以上各式中符号含义如前

显然：３Ｓ—ｈ，所以取齿深ｈ＝３×０．４＝１．２哪

又从

ｈ＋ｓ

０．Ｓ＝

Ｓ和ａ＝ｂ

所以取齿宽等于槽宽亦等于槽深，都为１．２姗。

ｎ０．２＋１．∞

ｔｇｌ５。＝

Ⅱ．５６．２

ｎ＝５６．２Ⅱ．蟾１５。／２．４＝１９．７头

取ｎ－－２０头。考虑到螺旋泵送的同时会产生离心力。仍然取螺旋为矩形方牙螺纹。在实际操作时由于螺旋角Ｂ和间隙比Ｋ２在相当大的范围内变化时，密封系数变化不大，因而在ａ．ｂ．ｈ都不变而ｎ所取偏离理论计算时，～般都用Ｂ角来作弥补调整．敌而在此情况下，实际泵送螺旋的Ｂ角实际为

２０ｘ２．４

＝０．２７

Ⅱ。５６．２

１３女ｇ＝１５．２１９≈１５。１３’

５．２双端面机械密封的设计

本级双端面机械密封的采用主要是（１）对密封面周围介质进行间接降温：（２）对机械密封摩擦副进行冲洗，带走此处产生的热量，并可防止杂质沉积气体滞留等不良因素的发生。从图可见，中间的两个动密封面与泵送螺旋环结合在一起，由泵轴带动，中间两动环之外是相应的静环。冷却和冲洗用的水介质首先是冷却冲洗靠近内部的动静密封面并循环进而达到更进一步的冷却和冲洗，靠近外部的第二个动静密封面。正是由于在外侧，可以有效的防止冷却冲洗液外泄。从总体上来说。这一级的设计是采用定型的国际著名的博格曼机械密封，实践证明，它的可靠性是比较好的。

６机封的冷却与冲洗

由图】可知，该密封装置中有４个外接孔，其中两个与中间腔联接，另两个与双端面机封腔联接?这四个外接孔均为冷却和冲洗孔。与中央腔联接的２外接孔，根据介质的不同。可以有两种情况：（１）１７９

工作时中央腔为负压腔?外接孔为排泄孔，由排泄孔将泄漏液体送返输送系统或另外收集；（２）向中央腔输入高压注入液，工作时中间腔为注入液腔，外接孔为注入孔。中间腔冷却和冲洗介质与泵送介质相同。双端面机封腔注入冷却水，双端面机封外设的泵送环使冷却水循环．冲洗冷却二密封面。７结束语

综上所进行的优化设计，本实用新型的组合式机械密封产生的技术效果有：

与介质接触部分采用了泵送型密封环，减少了此处动静密封面所受的压力．同时采用动、静环换位的机械密封新技术，形成内流型，进一步增加了密封的可靠性。

接着第二级又再一次的采用了泵送型双端面机械密封，可实现冷却水循环，使冷却冲洗效果显著，使内部、即使更内部的密封装置也不会因过热或过摩损而影响密封的使用寿命。

上述这二级之间采用特殊的套装方式．中间装有专门设计的隔离套，实现了多级密封形式的串联而使径向、轴向尺寸双最小的联接，有利于通用化标准化，更重要的是完全实现了输送介质与外部的隔离，达到了“介质零泄漏”的设计新理念。

另外：本设计已经查新，查新号为２００３３２８２５０１３３２

本设计也已申请专利，专利申请号为：２００３２０１１０８８２．４

本设计结构形式尚未命名，结构尺寸也未作系列化，请来会各位专家指导。

２００４年０７月２６日

参考文献

【１】胡国桢，石流，阎家宾．化工密封技术．北京化学工业出版社，１９９０．Ｐ２６９－－Ｐ４１９

［２】关醒凡．现代泵技术手册．北京宇航出版社，１９９５．Ｐ５９４－－Ｐ６２２

【３】３徐祥发、沈兆乾．机械密封手册．南京东南大学出版社．１９９０．Ｐ１６３－－Ｐ３０１

【４】蔡晓君等．螺旋密封设计原理与最佳螺旋参数的探讨．水泵技术，２０００年第２期Ｐ２５－－Ｐ２８附１：

作者简介

作者陈进：男、汉族、中共党员、大学本科学历，工程师、所学专业：水力机械。现任江苏迎浪科技集团有限公司技术质量副总经理、泵机械工程技术研究中心（市级）主任，中国机械工程学会泵专业委员会委员。

该同志跟随国内泵著名测试专家郑梦海高级工程师、泵著名设计专家谢本贞高级工程师学习水泵测试及设计知识多年，并从事多年的技术管理工作，具有扎实的专业理论基础及较丰富的实践能力，并具有一定的管理和组织才能．自１９９９年至现在。他主持和参与了国内部分造纸厂的进口纸浆泵进行了国产化改造及ＹＴＺ型、Ｗ－，Ｚ型、ＹＧＺＢ型纸浆泵的开发?ＸＢＤ－ＹＬ型消防泵的开发，Ｎ型冷凝泵的开发，ＩＳＧ管道泵的开发、ＳＢＳ登空调泵的开发和ＹｚＡ型石油化工流程泵的开发，其中ＹＴＺ型无堵塞纸浆泵、ＸＢＤ－ＹＬ型消防泵和ＹＧＺＢ型高效无堵塞无泄漏纸浆泵已通过江苏省科技成果鉴定?被认定为江苏省高新技术产品，并被列为国家级火炬计划，嗣家级重点新产品。承担设计过屠家重大工程江苏南钢集团淮钢。十五”工程项目重大设备关键泵产品的设计、稠建港兴集团关键泵产品的设计，受到了用户的好评。个人进行过多个项且产品设计的专利申报。累计至现在，己申报实用新型发明专利１０余项，已授权４项。多次荣获过省、市科技进步奖和科技成果推广奖，为本地区泵行业的学术带头人。

在满足市场需求积极开拓新品的同时。该同志还不断注意到国内外泵业发展动向．搜集泵使用、制造信息，使新技术、新工艺能够在本公司得以发展和应用。１８０

至目前该同志承担的国家、省级科技项目的情况如下立项年度

项目编号

项目名称计划类

别

完成

时间２００２年１２月

完成情况

２００２

Ｉ｛２００２３４４

ＹＴＺ型无堵塞纸浆

囊

省火炬

已通过验收，已形成年产该类泵３０００多台

套、新增销售近２８００万元、新增利税近６００万元的产业规模。

Ｈ２００３３８３

２００３

ｘＢｏ—ＹＬ型消防泵省火炬２００３年２

月

正计划组织验收．预计可形成生产该类泵２０００多台套、新增销售近３０００万元、新增利税７５０万元的产销规模。

２００３踊０４０５

３０

２００４

国家火

炬

２００３盎２

月

Ｈ２００４３７４２００４ＥＢ０４０４

９５

ｙＺＡ型石油化工流

程泵

省火炬

正在实施预计可形成生产该类泵２０００台套．新增销售近４０００万元。新增利税近１２００万元的产

业规模。

国家火

炬

２００４

高教无泄漏石油化

工流程泵

省科技攻关

正在实施

预计可彤成生产该类泵３０００台套，新增销售近６０００万元，新增利税近１５００万元的产

业规模。

附２：

基金项目（注明名称、项目编号）

应用该装置设计的石油化工离心泵产品被认定为２００３年度扛苏省高新技术产品，被列为２００４年度江苏省科技攻关计划，并被认定为国家火炬计划项Ｈ，作为化工行业的重要节能节水双效技术及产品。应用该装置设计的石油化工流程泵项目产品开发也进行了２００４年度科技型中小企业技术创新基金申报。

８ｌ

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