应用Pro/Engineer建立了螺旋密封流体域模型并且结合ANSYS有限元软件,对泵送流动、泄露流动进行了模拟分析,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。所建立的螺旋密封数值模型能够准确反应泵送流动与泄露流动时流场的分布情况;随着转轴的转速、密封介质的动力粘度以及螺旋长度的增大,封液的能力呈现出线性增长的变化趋势;随着螺旋密封结构齿顶间隙的减小,螺旋密封的有效防泄漏增强,封液能力明显加强。

针对传统的螺旋密封密腔内流体流动复杂,传统的数值计算方法难以得到准确的密封能力的问题,采用AutodeskCFD软件建立了螺旋密封的计算流体动力学参数化仿真模型,对网格数量与分析结果的收敛性进行了验证并对螺旋密封的密封能力与压力角、槽宽等几何参数的关系进行了分析。结果表明螺旋角对密封能力的影响比槽宽更大,减小螺旋角是增强螺旋密封密封能力的更有效的办法;所得结果还可以为后续的对螺旋密封与动力学特性关系的研究提供了仿真依据。

基于螺旋密封结构的排砂原理和流量平衡理论,建立锯齿形、矩形、梯形、半圆形4种螺旋牙型对应的流道模型,建立排砂性能评判标准,结合流体湍流模型和固体颗粒运动轨迹追踪法对不同牙型的速度场、压力场以及岩屑滞留时间进行分析,探究牙型对螺旋密封排砂性能的影响规律,评价不同牙型的排砂性能,并对螺旋密封牙型进行优化设计。结果表明:4种螺旋牙型都具有主动排砂能力;锯齿形密封流道两端压差最大,能够产生较大的泵送流量,岩屑颗粒更易排出,同时锯齿型密封中岩屑颗粒的滞留时间最短,因此锯齿形螺旋密封的排砂性能最好。优化结果表明,锯齿形螺旋密封牙型的螺距为3.2 mm、工作面倾角为3°、非工作面倾角为30°时排砂性能最优。

螺旋密封作为非接触式密封,具有结构简单、耐磨耐蚀、寿命高、拥有良好的密封性能等优点,在石油化工等领域都有广泛的应用。本文基于CFD方法建立了螺旋密封数值计算模型,分析了螺旋密封内部流场压力变化和速度分布,得出螺旋密封封液机理。研究结果表明,在压差作用下,泵送流量是从出口泵送至入口,而压差作用的泄漏流量是从入口(高压区)泄漏至出口(低压区),若泵送流量大于泄漏流量,此时在压差作用下,螺旋密封有充足的密封能力;若泵送流量小于泄漏流量,螺旋密封封液能力不足以密封此时的压差,从而发生泄漏。