螺旋密封式给水泵如何保证安全运行？

螺旋密封是一种利用流体动压反输的径向非接触式转轴密封装置。国外从1916年开始在水泵中采用螺旋密封，后来成功地推广到许多苛刻条件，如高温、深冷、腐蚀和带颗粒等的液体介质密封。近几十年来，国内首先在核动力、空间装置等尖端技术领域，以及在离心式压缩机上成功地应用了螺旋密封，进而在一般技术领域的油泵、酸碱泵及其他化学溶液泵上采用螺旋密封，获得了良好的效果。

1.螺旋密封式给水泵的密封水压差小、跳泵的处理

（1）螺旋密封式给水泵的密封原理和应用 螺旋密封式给水泵的密封原理，是在给水泵轴套的外表面加工数条使水流方向指向内侧的螺旋槽，而在固定衬套的内表面加工与轴套螺旋方向相反的螺旋槽。当轴旋转时，螺旋槽类似螺旋槽泵，使流体产生压头，阻止泵内流体外泄。由于轴套与固定衬套之间存在顶隙，仍有部分流体越过螺纹齿顶向外泄漏。为避免泵内高温水向外泄漏，必须由外部注入密封水。该密封水一部分随螺旋槽泵送至轴封内侧阻止泵内流体外流，一部分与少量经密封间隙外流的高温水混合形成密封回水。大部分密封回水回收至给水泵前置泵入口，另有一小部分则回收至凝汽器。实际电厂系统中，密封水源一般有两路；正常运行时由凝结水母管供水；凝结水泵停运或凝结水母管压力低时，由备用密封水泵供水。密封水进水与密封水回水之间需有一定的压差，保持一定的密封水流量，以防止给水泵失去密封水，泵内高温水外泄造成事故。所以，在螺旋密封式给水泵密封水压差小于一定值时，热工连锁保护便会跳给水泵。密封水压差主要靠密封水进水管路上的密封水调节阀来进行自动调节。

（2）频繁跳泵的原因 在实际运行中，特别是在新机组调试时，经常会发生因给水泵密封水压差小而导致给水泵频繁跳泵的现象。当密封水投用压力较高的正常供水系统，即由凝结水母管供水时，凝结水母管压力稍一波动密封水调节阀便会振荡，流量极不稳定。当因机组负荷或其他原因，除氧器补水量较大时，凝结水母管压力下降较快，密封水调节阀往往来不及开大，致使密封水压差小于保护定值，跳给水泵；除氧器补水量较小时，凝结水母管压力上升，密封水调节阀常常又开度太小，甚至关死，造成密封水压差瞬间变小而跳泵。给水泵频繁跳泵，延长了机组调试时间，严重影响机组的安全稳定运行。

（3）几种处理方法 对该问题的处理，各地电厂在实践中曾尝试过多种方法；

1）改善密封水调节阀的调节特性。如对调节阀差压调节器的位置进行改进，尽可能地使差压调节器靠调节阀近一些，信号管短一些，以缩短密封水调节阀的调节滞后时间，并换用质量好一些的密封水调节阀。但经实践发现效果并不好，调节阀的调节特性改善不大。有些电厂在密封水调节阀前加装一调节阀，以减小凝结水母管压力波动对密封水压力的影响。但该方法实际效果也不理想，加装的调节阀实际上成为一只减压阀，无调节作用，密封水调节阀的调节特性还是不佳，而且加装的调节阀的膜片经常损坏。

2）在因密封水压差小，跳给水泵的保护上增加一定时间的延时。因为一般对螺旋密封式给水泵而言，凝结水母管压力波动时，短时间的密封水压差小，密封水往往并未完全中断，待密封水调节阀调整到位后，密封水压差即恢复正常，对给水泵运行并没有什么影响。即使密封水完全中断，只要在很短时间内密封水能恢复，一般对给水泵也无多少影响。但在保护上增加时间延时时，具体延时时间为多少，没有确切的依据和具体数值。时间太短，密封水调节阀来不及调整到位，没什么效果；时间太长，如发生长时间密封水中断，泵内高温水大量外泄，不及时停泵，又会造成事故。各地实践中往往只是凭经验估计，具体数值并不一致。

3）增设单独的给水泵密封水系统。这样虽然可以保持给水泵密封水供水压力的稳定和可靠，解决给水泵密封水压差小而频繁跳泵的问题，但成本太高，而且会使给水泵系统复杂化，大大增加了日常的运行维护负担，在实践中极少采用。

4）一种简单易行的处理方法。在某电厂1号机上，针对螺旋密封式给水泵易出现密封水压差小而频繁跳泵的问题，考虑到前述几种处理方法的弊端，采用了在因密封水压差小，跳给水泵的保护上增加一密封水回水温度高的条件的方法，即密封水压差小同时密封水回水温度高达90℃时，才跳给水泵。因为正常运行时，由除氧器进入给水泵的水温高达150℃，而密封水回水温度一般为60～70℃。当出现密封水中断或给水泵端部碰摩等情况，泵内高温水大量外泄时，密封水回水温度必然升高；而密封水压差短时间内偏小，如密封水回水温度仍然正常，说明泵内高温水尚未大量外泄，对给水泵运行影响不大。经运行实际检验，效果良好，未出现因密封水压差小而频繁跳泵现象。

2.吸气现象与密封破坏现象对螺旋密封的影响

螺旋密封是一种靠类似泵的作用压送一种黏性的流体以阻止被密封的系统流体泄漏的密封装置。螺旋密封由于其独特的结构形式有许多优点，如寿命长，适用范围广，密封效果好等。但由于密封所占轴的长度较长，在高速运转的情况下，在液气交界面处易发生所谓“气体吞入”现象，即吸气现象，使密封失效，给密封设计带来困难。

实际上，当密封速度足够大时，密封性能受到下列三方面的限制；

1）由于气体穿过密封液，因而，在液气交界面发生混合，即出现吸气现象。

2）密封液从密封低压端缓慢泄漏，即使密封仅为局部充液，这种现象称为密封破坏现象。

3）密封液或密封表面的温升过高。随着密封向紊流工况的转变，以及紊流程度的增加，密封压力升高，功率消耗增大，气体吞入增加，密封失效，如图3-50所示。

从图3-50可以看出，在一定密封压力Δp下，当密封表面速度V提高到一定值（图中R点）后，螺旋低压端液气交界面开始失去稳定性，这时气体吞入到液体中去，而形成气泡，称为气体吞入。当转速提高到某一值（图中S点）后，液气界面的稳定性受到进一步破坏，使得密封液开始从低压端缓慢泄漏。从PQRS线所见，在达到Q点以前，密封充满液体，泄漏缓慢；到Q点泄漏停止；从Q点至S点是零泄漏，液气交界面不断向密封内部移动，同时充液部分内的压力大致地成线性下降，直到对应于液气平均交界面的位置。其原因是台肩处液体被排出而槽中则吸入A液体。低速下交界面是明确的，但当达到相当于向紊流转变的速度时，交界面模糊，并开始发生吸气现象。从R点到S点可能发生缓慢泄漏。此时吸气现象有可能对压力梯度产生影响，其简单原因大约是起泡有效黏度的降低。到S点时密封发生破坏现象，其表现是密封再次开始泄漏，泄漏速率大大低于从P点到Q点。泄漏可能是稳定的，也可能是脉冲的，而且还伴随有密封两端压力梯度或快或慢的波动。螺旋密封设计的主要要求是预计发生吸气和破坏现象的开始速度。

图3-50 密封性能极限

模拟试验密封介质是大庆原油，螺旋密封直径d=100mm，转速n=2980r/s，间隙s=0.2mm，速度V=15.6m/s。大庆原油50℃时的运动黏度V_so=23.85×10^-6m²/s，动力黏度μ_so=2.04×10^-1Pa·s。螺旋参数；螺旋角β=15°39′，相对槽宽K₁=0.5，相对槽深K₂=4。

根据台架试验数据，进行下列计算。

速度与温升的关系

T=T₁+ΔT

式中，T是螺旋工作温度（℃）；T₁是介质温度（℃）；ΔT是油的温升（℃），ΔT=；J是热功当量，J=1.02N·m/J；V是螺旋的圆周速度（m/s）；μ是封液动力黏度（Pa·s）；λ是油的导热系数，λ=0.137J/m·s·℃。

在给定的V值下，工作温度可按下式计算

T=40+0.0729V

根据求得的工作温度T黏温图确定相应的动力黏度µ。

单位压差的授油长度

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压差因子（压头系数）C_Δp按下式计算

式中，ω是轴角速度（rad/s）；S是齿顶间隙（m）；L是密封长度，被封液浸润的螺旋段长度（m）；t是螺旋角正切函数，t=tanβ。

将上面求得的µ值代入，即可求得不同V值下的L/Δp，计算结果绘成曲线图，如图3-51所示。

图3−51 L/Δp曲线

求转变点的圆周速度。

螺旋密封的计算都是以层流状态计算的，由层流开始向紊流转变的间隙平均临界雷诺数值Re_vk用下式确定

间隙雷诺数为

通过计算得知Re_c＜Re_vk，属于层流状态。由层流向紊流转变的雷诺数Re_vk=411，利用油的黏度-温度曲线确定，编程计算求得转变点的参数为；T=80.2℃，V_so=11.42×10^-6m²/s，V=23.44m/s。

由图3-51的L/Δp曲线可以看出；当圆周速度较小（V＜5m/s）时，L/Δp随着V的增大而急剧减小；当V增加到某一值（V=17m/s）时，L/Δp具有最小值；当V再继续增加时，L/Δp非但不再减小，反而有所增加。这是因为L/Δp随着V的增大，发热量迅速增大，油温升高，黏度µ迅速减小，当黏度下降的幅度超过增加的幅度时，L/Δp有所增加。

当圆周速度V增加到一定值（V=23.4m/s）时，密封开始由层流工况向紊流工况转变。

总体看来，当圆周速度大于某一值（V=17m/s）后，L/Δp基本上不再随V的变化而变化，因此可以认为达到某种“自动平衡”状态。图3-51是根据特定的螺旋参数及油的种类计算得到的，有一定的局限性，但该曲线的变化趋势以及由该曲线推出的定性结论是有普遍意义的。以上计算均无冷却装置，如设置冷却装置，其密封效果将更为理想。

3.减轻或克服吸气现象和密封失效的措施

1）圆周速度V的选取不应无限增大，尽量要求在层流工况下工作，具体说不应超过30m/s。

2）偏心作用加剧吸气现象，而且可能降低其开始速度。提高密封轴对壳孔的同心度，可采用自动定心的浮动螺旋套。

3）在螺旋低压部分设置放气孔，可以减轻气体吞入的影响。

4）螺旋槽开在定子上而不开在转子上，这既可减轻吸气现象又可减轻密封失效。

5）采用表面张力大、黏度高的密封液，可以推迟密封失效的发生。

6）为推迟密封失效的发生，加大未浸油螺旋段的长度。

4.小结

1）对于螺旋密封，如果雷诺数不保持在一定极限值以下，气体穿过密封液缓慢泄漏所造成的吸气现象就很容易发生。

2）当密封表面速度超过一定限度时，容易发生密封破坏现象，密封液缓慢泄漏是其表现。

3）减缓螺旋密封吸气现象和密封破坏现象的措施包括同心工作（使用浮动密封设计），增大密封长度，用切槽静止套筒代替切槽转轴，采用表面张力大、黏度高的密封液等。