王 瑞，张居乾，任朝晖

（1.沈阳工业大学化工装备学院，辽宁 辽阳 111003；2.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

1 引言

随着国内制造业向高端、精细、智能化方向发展，密封技术广泛地应用于冶金、机械、船舶等行业。螺旋密封是近些年新开发出来的一种非接触式、动态机械密封，由于其自身的特殊性，在旋转机械密封结构上得到较好的应用。目前，国内外学者针对螺旋密封的密封性能进行了大量理论分析和实验研究，并将螺旋密封成功推入市场进行实际应用。

国外在对螺旋密封密封性能的理论研究中，以文献[1-2]提出的理论公式最具典型，实际应用也较多。Boon 基于压力平衡原理、借助纳维叶－斯托克斯（Navier-Stokes）方程推导出了螺旋密封封液能力的计算公式。Crease 基于流量平衡理论，提出了零泄漏螺旋密封概念。文献[3]成功地将螺旋密封结构应用在发电机轴承的润滑密封系统中，经实践验证密封效果和运行周期均比传统机械密封结构有很大改善。文献[4]对多种工作环境以及多种设备结构下的螺旋密封的密封效果进行了理论分析及试验，找到了影响螺旋密封效果的因素。

国内对螺旋密封的研究和应用均取得了很好的成绩，无论在普通生产企业还是高新技术领域的泵、离心机等旋转机械设备转轴密封上都有成功的应用案例[5]。文献[6]对螺旋密封的结构参数、密封效果进行了理论分析与计算。文献[7]在对螺旋密封使用环境下的压力平衡、流量平衡以及设计原理进行研究的基础上，采用试算法、逐渐逼近法对螺旋密封液的流动性进行研究。文献[8]研制出一种新型螺旋密封结构。电机运行时，电机轴本身的外螺纹结构可使得轴承周围的空气进入其内部，隔离油雾，防止油雾浸入到电机内部，且防止漏油。文献[9]在建立螺旋密封的封液能力模型的基础上，求出泵送流量和压差作用下产生沿螺旋槽的泄漏量和环形间隙产生的泄漏量，并对螺旋密封结构的参数进行了参数优化。为研究非牛顿流体的螺旋密封封液能力，文献[11]推到了其近似解析解的表达式，并对系统关键参数进行了分析。

螺旋密封作为一种新型密封结构，其应用还有待进一步普及，螺旋密封的密封效果和封液能力还有待实践验证。运用Pro/Engineer 建立了螺旋密封流体域的模型并结合有限元ANSYS有限元软件对其进行详细计算分析，找到了不同工艺参数对螺旋密封封液能力影响的规律，对螺旋密封的实际应用提供理论依据。

2 螺旋密封流体域模型建立

对螺旋密封流体域进行建模，如图1（a）所示。对图1（a）中一个区域部分的密封介质流体域进行建模，如图1（b）所示。

图1 螺旋密封介质流体域模型Fig.1 The Fluid Region Model of Screw Sealing Medium

3 螺旋密封流体网格划分及边界条件

在对螺旋密封流体域开展有限元分析工作时，其流场分析的首要工作是进行螺旋密封流体域的网格划分。其划分质量的优劣将对单元间的通量计算过程、分析计算的收敛性、结果的准确度以及精确度等因素影响巨大。根据螺旋密封流体域的工作环境要求，其进出口设置成压力的形式，外壁面布置成静止壁面，内壁面布置成旋转壁面，螺杆轴转速为2950r/min，边界条件的加载，如图2 所示。

图2 螺旋密封介质流体域边界条件Fig.2 Boundary Conditions of Fluid Field in Spiral Sealing Medium

密封介质对螺旋密封工作影响较大，需使用较好温粘特性、抗泡沫性以及抗氧化性的32#抗氨透平油[10]。由透平油的密度和粘度可知其动力粘度为0.0273Pa·s，在展现其相关质量参数，如表1 所示。

表1 螺旋密封介质质量参数Tab.1 Quality Parameters of Spiral Sealing Medium

4 结果分析

4.1 泵送流动的分析

经过Ansys 仿真分析，获得出螺旋密封流体域的泵送流动在不同密封部位的流场分布情况。依照图3（a）泵送速度和图3（b）其矢量图可知，由于泵送力的施加作用密封介质存在着沿齿顶间隙和沿螺旋槽方向的流动。

图3 泵送速度及速度矢量图Fig.3 Pumping Speed and Pumping Speed Vector

4.2 泄漏流动的分析

螺旋密封介质在压差力作用下的受力分布和速度矢量，如图4 所示。由图4（a）可见，当螺旋密封结构两端存在压差力时，槽向力和轴向力分别作用在螺旋密封介质的不同位置上，其中槽向力呈现出线性下降、后者基本无变化。划分密封区域的工作和求解泵送流量、泄漏流量的工作，都是在螺旋密封部位的受力分布的基础之上进行的。在压差的作用下，螺旋槽内螺旋密封介质的速度以及齿顶间隙都能够通过螺旋密封介质受力分布得到。如图4（b）所示，存在压差力时，螺旋密封介质在齿顶间隙、螺旋槽都有流动，二者由于其受力分布不同，其速度矢量不同。

图4 压差作用下密封介质的力和速度矢量分布Fig.4 Force and Velocity Vector Distributions of Sealing Medium Under Differential Pressure

5 螺旋密封封液能力分析

螺旋密封参数的初始化值，利用单一变量法，改变不同的工况参数和结构参数，进而得到其对螺旋密封封液能力规律的影响，如表2 所示。以密封封液能力的影响因子为基础进行数值模拟，分析了不同工况和结构参数下螺旋密封封液能力的变化特性。

表2 螺旋密封参数Tab.2 Screw Seal Parameter

5.1 旋转速度对密封效果的影响

螺旋密封介质是流动的，它的流动速度在一定程度上影响着其雷诺因数，从而对密封介质的流动特性产生一定的影响。要推导螺旋密封封液能力的理论公式，首先要判定流动状态，同时，仿真参数的设定也以此为基础。改变旋转速度后的流体运动状态通过雷诺因数来判断是层流或湍流。经过计算，在转速从1750r/min增加到4150r/min 时，雷诺数从125.8 增加到298.4，流动状态均为层流。

不同转速下的仿真压力和理论压力值，对比二者，可以观察到，螺旋密封的封液能力与旋转轴转速呈线性正相关，这一结果符合螺旋密封封液理论，如图5 所示。当层流这一状态得到保证时，各流层速度与旋转轴转速呈正相关，由于螺旋槽的截面不变，随着螺旋密封泵送流量的增多，其封液能力也随之增强。

图5 不同转速下螺旋密封能力Fig.5 Spiral Sealing Ability at Different Speeds

5.2 密封间隙对密封效果的影响

为了研究不同密封间隙下的密封能力，选取参数如表3 所示。为了只研究密封间隙的影响，此时需要旋转速度、动力粘度、密封尺寸的影响因子保持不变。同时在研究中需要h/c 为定值，此时需要改变螺纹槽深，变化后的螺旋槽深各序列值。

表3 不同间隙下的螺旋密封能力Tab.3 Sealing Capacity Under Different Sealing Gaps

最后进行有限元建模、分析，得到不同系数下的仿真压力值，进而研究齿顶间隙对螺旋密封封液能力的影响，如图6 所示。齿顶间隙对螺旋密封封液能力影响的仿真值与理论值相吻合，呈现出负相关的趋势，随着齿顶间隙的减小，密封能力增强。

图6 不同密封间隙下螺旋密封能力Fig.6 Spiral Sealing Ability Under Different Sealing Gaps

6 结论

（1）应用CFD 软件建立了螺旋密封的数学模型，并进行了求解计算，结果表明与理论设计值之间吻合良好，所建立的数学模型能够准确反应泵送流动和泄露流动时的流场。

（2）当旋转轴转速不断增大时，各流层的螺旋密封介质的速度值也随之相应增大，此时，封液能力由于螺旋密封泵送流量增多而增强。

（3）密封介质在确定处于层流的状态下，当齿顶间隙减小时，沿程压力损失会显著增大，对防止泄漏起到有效作用，也使压力差作用下的泄漏流量降低。