周 已 蔣 陽(yáng) 胡家豪 唐藝?guó)P 譚 彬

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500)

在石油行業(yè)中，牙輪鉆頭是一種十分重要的鉆具，它能夠適應(yīng)軟、中、硬交替的各種地層，具有其他鉆頭無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。提高高速牙輪鉆頭的壽命是世界石油鉆井工程的重要研究方向之一，而密封是高速牙輪鉆頭的關(guān)鍵部件，其性能直接決定牙輪鉆頭的使用壽命。高速牙輪鉆頭工作的井底工況十分復(fù)雜(高溫、高壓、高載荷以及高磨礪性介質(zhì))，提升密封的可靠性和穩(wěn)定性成為高速牙輪鉆頭急需解決的技術(shù)難題。

近年來(lái)，研究人員對(duì)迷宮螺旋密封及螺旋密封等密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、理論仿真等進(jìn)行了廣泛的研究。LEE和ZHENG[5]采用有限元法對(duì)螺旋槽氣面密封的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)密封行為進(jìn)行了分析，給出了不同壓縮系數(shù)和密封壓力下氣體端面密封的承載能力和潤(rùn)滑油泄漏量。黎義斌等[6]基于Fluent軟件對(duì)螺旋密封摩擦因數(shù)和軸向雷諾數(shù)的特性曲線進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并揭示了螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)和密封性能的影響。高遠(yuǎn)等人[7]通過(guò)簡(jiǎn)化加工工藝提出了類迷宮螺旋密封，并通過(guò)CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))方法對(duì)2種密封性能進(jìn)行對(duì)比。李新勇等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)三角形螺旋槽形狀的迷宮密封進(jìn)行改進(jìn)，使其具有更好的密封效果和更好的環(huán)境適應(yīng)性。黃凱[9]對(duì)于螺旋密封的設(shè)計(jì)提出了一些建議，指出螺旋密封的旋向?qū)ζ湫阅芫哂泻艽蟮挠绊?，螺旋密封設(shè)計(jì)旋向應(yīng)與軸的旋向相同。還有很多學(xué)者對(duì)螺旋參數(shù)進(jìn)行了研究。KOU等[10]進(jìn)行了最優(yōu)螺旋槽和常規(guī)螺旋槽的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)仿真模擬，結(jié)果表明組合螺旋槽密封性能優(yōu)于其他螺旋槽。楊冰[11]采用仿真與理論相結(jié)合的方法開(kāi)展了螺旋密封的數(shù)值模擬研究，推導(dǎo)出其液封能力公式，且優(yōu)化了螺旋密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)。楊曉宗[12]采用CFD數(shù)值仿真，引入黏度因子和偏心率，研究螺旋密封參數(shù)對(duì)性能的影響，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。張居乾[13]運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)螺旋密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。任朝暉等[14]通過(guò)CFD軟件開(kāi)展了層流運(yùn)動(dòng)下螺旋密封液封能力研究，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得出液封能力最佳時(shí)螺旋密封結(jié)構(gòu)參數(shù)。 LEHN 和SCHWEIZER[15]通過(guò)CFD計(jì)算驗(yàn)證了雙面螺旋槽推力軸承，確定了最優(yōu)軸承參數(shù)值。XU和YANG[16]利用柯西積分定理，從穆德曼的窄槽理論出發(fā)，得到了可壓縮螺旋槽氣密封窄槽理論的顯式解。

在螺旋密封研究方面，矩形螺旋密封被提及的較多。馮亞君[17]優(yōu)化了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下的螺旋密封幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。王瑞等人[18]基于CFD軟件仿真模擬分析了工藝參數(shù)對(duì)密封性能的影響。陳果和宋鵬云[19]研究了冪律流體下的矩形螺旋密封封液能力，推導(dǎo)出了密封封液能力表達(dá)式。

綜上，目前研究人員已對(duì)迷宮螺旋密封及螺旋密封進(jìn)行了深入研究，而關(guān)于高速牙輪鉆頭螺旋密封牙型的研究很少[1-4]。

螺巖屑顆粒進(jìn)入密封而產(chǎn)生的磨損是影響密封壽命的主要因素，但目前已有密封幾乎都是被動(dòng)密封型式。為了解決被動(dòng)密封磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，研究人員提出高速牙輪鉆頭螺旋組合密封的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)的主動(dòng)排砂，減少磨損。旋組合密封的主體關(guān)鍵部件為螺旋密封，螺旋密封的性能決定了整個(gè)密封的排砂性能。螺旋密封尖角效應(yīng)和節(jié)流效應(yīng)理論表明，不同形狀牙型會(huì)產(chǎn)生不同的局部阻力及泵送作用，因而螺旋牙型是影響密封排砂性能的關(guān)鍵因素。本文作者基于螺旋密封結(jié)構(gòu)的排砂原理和流量平衡理論，建立4種不同螺旋牙型對(duì)應(yīng)的流道模型，建立排砂性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)合流體湍流模型和固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法對(duì)不同流道模型的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及巖屑滯留時(shí)間進(jìn)行分析，探究牙型對(duì)螺旋密封排砂性能的影響規(guī)律；評(píng)判不同牙型的排砂性能，并對(duì)排沙性能最好的牙型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究成果將對(duì)螺旋密封的應(yīng)用及推廣起到指導(dǎo)作用。

1 螺旋密封的排砂機(jī)制

如圖1所示，高速牙輪鉆頭軸與牙輪之間的密封腔是用于安裝螺旋組合密封結(jié)構(gòu)的，O形密封圈和螺旋密封圈在同一個(gè)密封腔中。當(dāng)牙輪鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋密封圈會(huì)隨著鉆頭一同旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)排砂功能，并通過(guò)阻止巖屑顆粒進(jìn)入密封腔內(nèi)來(lái)改善密封環(huán)境，減少或防止O形密封圈的磨損，提高其使用壽命。當(dāng)鉆頭沒(méi)有工作時(shí)，螺旋密封不工作，但O形密封圈可提供一定的密封作用，從而有效保證了密封的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1 螺旋組合密封結(jié)構(gòu)

螺旋組合密封結(jié)構(gòu)具有良好的泵送效應(yīng)，當(dāng)泥漿介質(zhì)通過(guò)連續(xù)的螺旋密封圈的齒時(shí)，泥漿流動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，并在螺旋槽中將泥漿的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成黏性液體壓力能；而螺旋槽也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)推進(jìn)力而不是作為膨脹室產(chǎn)生渦流消耗流體的能量。

由于泥漿液體存在一定黏度，其在螺旋密封的泵送作用下會(huì)在密封空腔形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，泥漿顆粒不斷被排出腔外，可保證泥漿顆粒不進(jìn)入密封腔。

根據(jù)克里斯“流量平衡”理論[20]可知，螺旋密封內(nèi)部流動(dòng)有泄漏流動(dòng)和泵送流動(dòng)。泵送流動(dòng)是槽中庫(kù)塔流動(dòng)，其流量為

(1)

又從螺旋結(jié)構(gòu)的幾何形狀可得：

bgi=πrDtanα

(2)

則得出最終泵送流量公式為

(3)

2 螺旋密封牙型流場(chǎng)的理論基礎(chǔ)

在高速牙輪鉆頭工作時(shí)，由牙輪鉆頭切削巖石產(chǎn)生的巖屑會(huì)和泥漿一起流入螺旋密封腔，此時(shí)為巖屑和泥漿的混合流動(dòng)，因此在對(duì)螺旋密封腔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)采用固液兩相流的相關(guān)理論。具有一定黏度的泥漿屬于液固兩相流中的液相，為連續(xù)相；而巖屑則作為液固兩相流中的固相，為離散相[21-22]。由于泥漿在螺旋密封腔內(nèi)的流動(dòng)是不規(guī)則流動(dòng)[23]，文中選擇Renormalization group(RNG)k-ε湍流模型來(lái)模擬，該模型能夠很好地處理不規(guī)則的彎曲壁面流動(dòng)。工程流場(chǎng)計(jì)算的主要工具是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型假定湍動(dòng)黏度μi是各向同性的，湍動(dòng)能k和耗散率ε方程形式如下：

Gb-ρε-YM+Sk

(4)

(5)

3 螺旋密封牙型流道模型仿真

3.1 三維模型的建立

目前，普遍應(yīng)用的螺旋密封牙型包括三角形螺旋、鋸齒形螺旋、梯形螺旋、半圓形螺旋和矩形螺旋。三角形螺旋由于牙尖太細(xì)，易造成軸承的磨損，文中只考慮后4類螺旋牙型。所有的模型都是由螺旋密封圈、牙輪內(nèi)孔和軸組成的流道模型。

文中建立了4類螺旋牙型的流道三維模型[25]。斜矩形牙型的流道三維模型截面及參數(shù)如圖2(a)所示；鋸齒形牙型的流道三維模型截面及參數(shù)如圖2(b)所示，其工作面(傾斜夾角α=3°)朝下；梯形牙型的流道三維模型截面及參數(shù)如圖2(c)所示，其牙型為等腰梯形；半圓形牙型的流道三維模型截面及參數(shù)如圖2(d)所示，該結(jié)構(gòu)是在斜矩形螺旋基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，其他參數(shù)保持不變，將牙齒斷面變?yōu)榘雸A形。

圖2 4種牙型流道三維模型截面

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，得出計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)為3 545 737，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 873 145，網(wǎng)格質(zhì)量skewness值主要集中在0～0.5之間，平均值為0.39，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件及載荷施加

計(jì)算時(shí)將下端泥漿進(jìn)入處設(shè)置為出口，邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力進(jìn)口即為模型上端邊界條件。文中研究對(duì)象為井深850 m的淺井，以密度為1 200 kg/m3，黏度為0.02 Pa·s流體介質(zhì)作為仿真流體，則井底壓力為

p=ρgh=1 200×9.8×850≈10 MPa

(6)

根據(jù)文獻(xiàn)[26]以及經(jīng)驗(yàn)可知,牙輪鉆頭軸承密封內(nèi)外壓差為0.3～0.7 MPa，由公式(6)計(jì)算得出泥漿的進(jìn)口壓力值為10 MPa。安全系數(shù)取1.5，內(nèi)外壓差設(shè)置為1.05 MPa，則出口壓力值為11.05 MPa。設(shè)置鉆頭內(nèi)螺旋密封圈組成的內(nèi)壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，由于其應(yīng)用于高速牙輪鉆頭，轉(zhuǎn)速設(shè)置為200 r/min，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度與牙輪的轉(zhuǎn)速一致，其他壁面設(shè)定為靜止壁面，速度為0。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 排砂性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

文中基于速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、巖屑滯留時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)牙型結(jié)構(gòu)的排砂性能。

(1)基于速度場(chǎng)方向來(lái)分析流場(chǎng)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，評(píng)價(jià)牙型結(jié)構(gòu)是否對(duì)螺旋密封向外排砂有積極作用。若巖屑顆粒的速度方向?yàn)閺牧鞯郎隙讼蛳露诉\(yùn)動(dòng)，則證明螺旋密封具有主動(dòng)排砂功能。

(2)當(dāng)壓力從螺旋密封腔上端到下端逐步遞減時(shí)，更利于將巖屑顆粒排出螺旋密封腔外。因此對(duì)比螺旋密封圈上下兩端的壓差來(lái)評(píng)價(jià)牙型結(jié)構(gòu)的排砂性能，壓差越大，則說(shuō)明螺旋密封圈的泵送排砂能力越強(qiáng)。反之則越弱。

(3)以巖屑顆粒在螺旋密封腔內(nèi)的滯留時(shí)間來(lái)為評(píng)價(jià)依據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)密封圈的排砂性能。巖屑顆粒滯留時(shí)間越短，表示巖屑顆粒更易排出，即排砂性能越好，因而單位時(shí)間螺旋密封腔內(nèi)的巖屑體積越小，巖屑顆粒對(duì)O形圈的磨損越小，密封性能也越好。

4.2 泥漿顆粒在流道中的速度方向分布規(guī)律

圖4(a)所示為矩形螺旋密封結(jié)構(gòu)整體的三維速度場(chǎng)。因螺旋牙型流道模型的左右兩半截面的速度場(chǎng)分布是相同的，因此文中只分析右半截面來(lái)說(shuō)明整個(gè)模型的排砂性能。圖4(b)—(e)所示為4種牙型的右半截面的速度場(chǎng)分布。

圖4 矩形齒螺旋密封三維速度場(chǎng)及4種牙型密封右半截面速度場(chǎng)分布

從圖4(b)—(e)可以得到，在4種牙型的流道中，泥漿顆粒的大致軌跡都是從密封圈上端向下端流動(dòng)，在進(jìn)入到第一個(gè)空腔內(nèi)，一部分顆粒由于螺旋密封圈的牙齒阻擋，會(huì)隨著流體順著牙齒的方向在空腔內(nèi)形成漩渦，最終又進(jìn)入間隙中向下流動(dòng)，所以會(huì)造成0.5 mm間隙處的流場(chǎng)速度較大。在空腔區(qū)域部分的流體速度方向都是沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，最終也會(huì)被螺旋密封圈排出腔外。故4種牙型對(duì)應(yīng)的密封圈都具有主動(dòng)向外排砂的作用，但不同類型螺旋排砂性能的強(qiáng)弱還需進(jìn)一步研究。

4.3 泥漿在流道中的壓力分布規(guī)律

同樣因螺旋牙型流道模型的左右兩半截面的壓力場(chǎng)分布是相同的，圖5中僅給出了4種類型流道模型的右半截面的壓力場(chǎng)分布。

圖5 4種牙型密封右半截面壓力場(chǎng)分布

從圖5中流道壓力場(chǎng)分布可得出，所有牙型的流場(chǎng)壓力都是從流道上端向流道下端逐漸降低，這說(shuō)明4種螺旋密封牙型都具有主動(dòng)排砂性能，因此證明排砂的可行性。牙型雖然不會(huì)影響螺旋密封是否具有主動(dòng)排砂能力，但牙型的不同卻會(huì)影響排砂性能的優(yōu)劣。泥漿中的巖屑顆粒會(huì)順著壓力降低的方向向下排出，由于流道上端的初始?jí)毫χ?11.05 MPa)都大于仿真結(jié)果壓力值(如表1所示)，說(shuō)明在螺旋密封圈的作用下產(chǎn)生了一個(gè)向下的泵送作用，泵送能力越大，則壓力降低得越多，壓差越大，每種牙型流場(chǎng)壓力降低的大小各不相同，因此每種牙型的泵送能力又有區(qū)別。在施加相同的邊界條件下，4種類型的模型產(chǎn)生了不同的壓力差.為了更清晰展示4種牙型對(duì)螺旋密封的影響，表1給出了4種牙型壓差具體數(shù)值。

表1 各牙型的進(jìn)出口壓力對(duì)比

從流道模型速度場(chǎng)可得出當(dāng)泥漿在沿著齒頂環(huán)形間隙(螺旋密封圈與牙輪軸頸之間的間隙)流動(dòng)時(shí)，因?yàn)辇X形的尖角效應(yīng)會(huì)使泥漿流入螺旋槽內(nèi)，因鋸齒形牙型的傾角最大，為30°，流入的泥漿更多，在螺旋槽內(nèi)泥漿流速降低，更多的泥漿動(dòng)能轉(zhuǎn)化為螺旋槽對(duì)泥漿的推力使泥漿再次流入到環(huán)形間隙中，在這個(gè)過(guò)程中泥漿壓力也降低得越多。

而在壓力場(chǎng)中，仿真結(jié)果也表明鋸齒形螺旋的上下端壓差最大，為0.93 MPa，這說(shuō)明鋸齒形螺旋密封能產(chǎn)生更大泵送作用，其主動(dòng)排砂性能也更強(qiáng)。

4.4 顆粒軌跡與滯留時(shí)間

根據(jù)固體顆粒軌跡追蹤法得出顆粒經(jīng)過(guò)流道模型所需的時(shí)間，4種牙型對(duì)應(yīng)的巖屑軌跡都大體相同。圖6所示為鋸齒形螺旋巖屑軌跡及滯留時(shí)間示意圖。大部分巖屑顆粒都可從牙輪軸與密封圈之間的間隙直接排出腔外，故在流道與軸頸接觸的地方巖屑顆粒停留時(shí)間最短，少部分會(huì)進(jìn)入螺旋空腔。因此巖屑顆粒在密封腔內(nèi)的滯留時(shí)間，比在流道與軸頸接觸地方的滯留時(shí)間長(zhǎng)，但是巖屑顆粒在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的碰撞后最終也會(huì)被排出腔外。4種不同牙型的流道模型巖屑滯留時(shí)間對(duì)比，如圖7所示。

圖6 螺旋密封巖屑軌跡及滯留時(shí)間示意

圖7 不同牙型流道的巖屑顆粒滯留時(shí)間

仿真結(jié)果表明，在鋸齒形牙型螺旋密封圈中，顆粒滯留時(shí)間最短，在半圓形牙型螺旋密封圈中滯留時(shí)間最長(zhǎng)，在矩形和梯形牙型螺旋密封圈中巖屑滯留時(shí)間都很接近。這是因?yàn)槟酀{通過(guò)鋸齒形牙型螺旋槽流入齒頂環(huán)形間隙時(shí)，由于鋸齒形流道模型進(jìn)出口壓差最大，使得更多的泥漿動(dòng)能通過(guò)螺旋槽轉(zhuǎn)化成了推力，導(dǎo)致巖屑顆粒能更快地隨泥漿一起被排出密封腔。

由于巖屑顆粒在密封腔里的滯留時(shí)間可顯著地反映螺旋密封牙型的主動(dòng)排砂能力，因此可將巖屑顆粒在流道模型里的滯留時(shí)間作為主要判斷標(biāo)準(zhǔn)。由CFD仿真結(jié)果可知，鋸齒型牙型螺旋密封圈的巖屑顆粒滯留時(shí)間最短，這也說(shuō)明鋸齒形螺旋的主動(dòng)排砂性能較優(yōu)。

據(jù)表1可知，鋸齒形密封流道模型壓力場(chǎng)的上下端壓差最大(壓差為0.93 MPa)，據(jù)圖7可知，鋸齒形密封中的巖屑顆粒滯留時(shí)間也最短。因此在4種螺旋牙型中鋸齒形牙型密封性能最優(yōu)，梯形牙型和矩形牙型次之，半圓形牙型最差。張彩云等[27]通過(guò)理論公式推算出的螺旋牙型密封能力為三角形螺旋密封能力最優(yōu)，矩形螺旋密封能力最差，梯形螺旋密封能力介于兩者之間，與文中的研究結(jié)果相同，證明了文中研究方法是可靠的。

綜合對(duì)比得出：鋸齒形的螺旋密封圈是牙輪鉆頭組合密封中的較優(yōu)選擇。以上研究同時(shí)對(duì)其他機(jī)械螺旋密封的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

5 螺旋密封牙型參數(shù)優(yōu)化

在鋸齒形螺旋密封中，密封圈的螺距和工作面傾角等對(duì)于螺旋密封的性能有一定的影響。因此，文中進(jìn)一步研究鋸齒形密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。鋸齒形螺旋密封結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖8所示，文中對(duì)螺距P、傾角α和傾角β進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.1 鋸齒形螺旋密封螺距優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于螺旋密封腔的限制，將鋸齒形螺旋密封的螺距設(shè)置為3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5 mm進(jìn)行仿真計(jì)算(進(jìn)口端初始?jí)毫υO(shè)置為11 MPa，其余設(shè)置和上述仿真設(shè)置一致)，其壓力場(chǎng)分布如圖9所示(圖中僅給出了右半截面壓力場(chǎng)分布)。

圖9 不同螺距下鋸齒形螺旋密封壓力場(chǎng)分布

6種不同螺距的鋸齒形螺旋密封流道模型進(jìn)出口壓差均為從進(jìn)口到出口壓力逐漸下降，其壓差大小如圖10所示。

圖10 不同螺距的鋸齒形螺旋密封進(jìn)出口壓差

據(jù)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法得出巖屑顆粒在不同螺距的螺旋密封中滯留時(shí)間如圖11所示。

圖11 不同螺距的鋸齒形螺旋密封中巖屑滯留時(shí)間

因此綜合流道模型進(jìn)出口壓差與巖屑顆粒滯留時(shí)間作為評(píng)判其密封性能強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，進(jìn)出口壓差越大，滯留時(shí)間越短，排砂性能就越好。當(dāng)鋸齒形螺旋密封的螺距為3.2 mm時(shí)(進(jìn)出口壓差最大約為0.855 MPa，巖屑顆粒滯留時(shí)間最短約為0.012 s)密封性能較好。

5.2 鋸齒形螺旋密封傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)

取螺距P=3.2 mm，工作面傾角α分別取2.4°、2.6°、2.8°、3.0°、3.2°、3.4°進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的壓力場(chǎng)分布如圖12所示，其壓力分布也是從流道模型進(jìn)口到出口壓力逐漸下降。

圖12 不同工作面傾角α?xí)r鋸齒形螺旋密封壓力場(chǎng)分布

6種不同的工作面傾角α下流道模型進(jìn)出口壓差如圖13所示。

圖13 不同工作面傾角α?xí)r進(jìn)出口壓差

巖屑顆粒滯留時(shí)間隨不同工作面傾角α變化關(guān)系如圖14所示。

圖14 不同工作面傾角α?xí)r巖屑滯留時(shí)間

由圖13、14所示的螺旋密封流道模型進(jìn)出口壓差以及巖屑滯留時(shí)間綜合考慮得出：當(dāng)工作面傾角α為3°時(shí)(流道模型進(jìn)出口壓差最大約為0.855 MPa，巖屑滯留時(shí)間最短約為0.012 5 s)，鋸齒形螺旋密封性能較好。

取螺距P=3.2 mm，工作面傾角α=3°，非工作面傾角β分別取26°、28°、30°、32°、34°進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的流道模型壓力場(chǎng)分布如圖15所示，其壓力分布規(guī)律也是從流道進(jìn)口到出口逐漸下降。

圖15 不同非工作面傾角β下鋸齒形螺旋密封壓力場(chǎng)分布

不同非工作面傾角β下進(jìn)出口壓差、巖屑顆粒滯留時(shí)間如圖16、圖17所示。

圖16 不同非工作面傾角β下進(jìn)出口壓差

圖17 不同非工作面傾角β下巖屑滯留時(shí)間

由于傾角β在26°、28°、30°時(shí)流道模型進(jìn)出口壓差大小相差不大，而32°和34°時(shí)的進(jìn)出口壓差逐漸下降，且β角為30°時(shí)巖屑滯留時(shí)間最短(0.012 5 s)。因此綜合考慮當(dāng)鋸齒形螺旋密封螺距P=3.2 mm、工作面傾角α=3° 、非工作面傾角β=30° 時(shí)排砂性能較好。

6 結(jié)論

(1)研究的鋸齒形、梯形、半圓形和矩形4種牙型的螺旋密封結(jié)構(gòu)都具有主動(dòng)向外排砂的作用。

(2)鋸齒形的螺旋密封圈流道模型的上下端壓差最大，且?guī)r屑顆粒在密封腔中滯留時(shí)間在以上4種類型的螺旋密封中也最短，故鋸齒形的螺旋密封圈是牙輪鉆頭螺旋密封中的較優(yōu)選擇。

(3)當(dāng)鋸齒形螺旋密封螺距P=3.2 mm、工作面傾角α=3°、非工作面傾角β=30°時(shí)，其流道模型進(jìn)出口壓差較大且?guī)r屑顆粒滯留時(shí)間較短,排砂性能較好。