碳纤维牵伸室蒸汽迷宫密封的优化设计

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Optimization Design of the Steam Labyrinth Seal of CarbonFiber Drafting RoomShen Junjie(Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou Jiangsu 221004，China)Abstract：To improve the steam leakage in the carbon fiber drafting room，two plans based on maze principle was putforward for the improvement of sealing structure in the entrance and exit of carbon fiber drafting room.The leakage of steamwas calculated for the sealing device before and after improvement based on Fluent，and the optimal structure of the sealingdevice was obtained.The feasibility of the sealing device was verified through the experiments.The experimental resultsshow that the sealing requirement can be met only instaling a labyrinth seal in the entrance or exit of carbon fiber draftingroom，which can reduce the leakage of saturated steam by 20% in the carbon fiber drafting room。

Keywords：carbon fiber；drafting room；labyrinth seal；leakage碳纤维牵伸是碳纤维原丝加工的-道重要的工序。牵伸环境是 150 oC高压饱和水蒸汽 ，而由于碳纤维丝束与牵伸腔的进丝口、出丝口凶存在间隙，导致牵伸腔的高压饱和水蒸汽从进丝口、出丝口泄漏。严重的蒸汽泄漏增加了加工成本。

由于碳纤维原丝生产工艺的要求，需要采用非接触式密封方式，而迷宫密封就是-种能满足其要求的密封方式。迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程和空腔内的动能耗散来实现密封的 。它不仅可以保证碳纤维丝束不与牵伸室的进丝口、出丝口接触，而且能有效地减少饱和水蒸汽的泄漏量。影响迷宫密封性能的因素有总体的结构型式、节流间隙宽度、介质特性、压力温度条件、速度和介质流向等 J。本文作者通过 Fluent计算泄漏量，优化设计了迷宫内部结构使牵伸室蒸汽泄漏达到最小，并通过实验验证了密封装置的可行性。

收稿 日期 ：2013-02-16作者简介：谌寇 (1986-)，男，硕士，工程师，主要从事机械设计、流体密封技术研究.E-mail：shenjunjie4232###126.corn。

1 牵伸室蒸汽泄漏计算1.1 牵伸室入 口、出口结构碳纤维牵伸室的入口结构尺寸如图1所示。其装置主要由法兰 I、喷嘴 (孔径 3.60 inn1)、法兰 Ⅱ和长管道组成。牵伸室出口的结构与入口的结构-样，仅仅喷嘴孔径发生了改变，出口喷嘴的孔径为2.70 121/1。

法兰I喷嘴 法兰II长管道I 口、 I l l l l ， ，图1 牵伸腔的人口结构Fig 1 Structure of drafting room entrance牵伸室人 口和出口的碳纤维丝束直径分别为1.76和1.31 mm。当碳纤维丝束进人牵伸室时，可能会与孔径为 3.60 mm的喷嘴孔摩擦 ，导致碳纤维丝束 起毛”，严重影响碳纤维丝束性能；同时饱和水蒸气加速了喷嘴的锈蚀。为了减少碳纤维丝束的100 润滑与密封 第38卷法兰I喷嘴 法兰Ⅱ 8节迷宫 长管道图6 牵伸室入口结构改进方案ⅡFig 6 Improved scheme lI of drafting room entrance structure2.2 改进结构泄漏量的计算2种改进结构的 Fluent参数设定均与牵伸室人口、出口装置的参数设定-样。表2为种改进结构的泄漏量和最高流速的对比。

表2 2种改进结构泄漏量和最高流速的对比Table 2 The comparison of leakage and maxvelocity of two improved Structures可知，改进方案 I、I均能有效地减少牵伸室的泄漏量，而且改进方案 I相对于改进方案 I的密封效果更好。由于改进方案I结构简单，对现有的工艺影响很小，因此，对改进方案I进行优化，并且设计其具体结构尺寸。

2.3 改进 方案 的优化由于改进方案I与原方案相比增加了喷嘴 I，因此优化的方法是：在其他零件结构不变的情况下，改变喷嘴I的结构尺寸。而对喷嘴 I来说，主要有 2个尺寸影响人口装置的泄漏量，-是喷嘴 I的直径d，另-是轴向长度，如图7所示。

图7 喷嘴II的结构图Fig 7 Structure of the noze II2.3.1 孔径的优化在其他零件的结构尺寸不变的情况下，改变喷嘴II的直径 d，得到牵伸室人口泄漏量与喷嘴II孔径 d的关系，如图8所示∩知，泄漏量与孔径d存在着明显的关联，当孔径增大时，泄漏量明显增大。其中孔径为 2.70 mm时，泄漏量与原装置相比减少了50%左右，达到期望的密封效果。因此 ，在设计喷嘴I时，应在满足工艺的条件下，尽量减小喷嘴 I的孔径，以达到良好的密封效果。

图8 喷嘴II孔径与泄漏量的关系Fig 8 The relations between leakage and diameter of nozzle II2.3.2 孔 长 的优 化同样地，在其他零件的结构尺寸不变的情况下，仅仅改变喷嘴 I的孔长 L(孔径为3.60 mm)，得到牵伸室入口泄漏量与喷嘴I孑L长工的关系，如图9所示∩知 ，孔长 工的变化并没有引起泄漏量太大的变化。因此，在设计喷嘴 I时，对孔长的尺寸没有要求，能满足加工要求即可。

圣囊：裁。1图9 喷嘴II的孔长与泄漏量的关系Fig 9 The relations between leakage and hole length of nozzle II通过图8、9可知，孔径的变化对泄漏量有显著的影响，而孔长的变化基本不改变泄漏量。

2.3.3 牵伸室入 口结构的设计改进的牵伸室入口结构主要由法兰 I、喷嘴 I、法兰I、喷嘴II、接头等组成。由于改进结构与原结构相比多了喷嘴II，故改进结构的拆卸也较方便。改进结构的喷嘴 I的更换只需要两步，即第-步是将法兰I、喷嘴I、法兰I、喷嘴u-同卸下，取出喷嘴II，第二步是将法兰 I从刚卸下的装置中拆卸下来，取出喷嘴l。该改进方案仅比原人口结构的拆卸多了- 步，不会过多地增加工人的劳动强度，而且改进结构的泄漏量也能达到理想的效果。此迷宫为两节直通2013年第 9期 谌寇 ：碳纤维牵伸室蒸汽迷宫密封的优化设计 101式迷宫，迷宫与牵伸室人口、出口相连，其装配图如图 10所示。

法兰l喷嘴1法兰Ⅱ 法兰IH喷嘴Ⅱ接头 阀口接头/ / / /l l f -气流的，Udd口图 lO 改进后牵伸室入口、出口结构Fig 10 Structure of entrance and exit of improved drafting room3 泄漏实验与分析密封装置的实物图如图 11所示。由于氧化锆材料具有极高的耐磨性、耐化学腐蚀性等优良的物化性能，为了减少碳纤维丝束 起毛”，所以选氧化锆为密封装置的材料。

图11 迷宫装置的实物图Fig 1 1 Object diagram of lab nth device3.1 实验 方案在牵伸室入口或出口装上图1l所示的直通式迷宫，并通过改变喷嘴 I、I的内径来测量牵伸室蒸汽的泄漏，以便优化迷宫的结构参数，为进-步减少牵伸室蒸汽的泄漏提供实验依据。

生产线上牵伸的是6k的小丝束，其截面总体尺寸较小，故牵伸室入口和出口的喷嘴内径均最小为2.70 mm。在原丝牵伸时，为了保证牵伸室温度恒定为150℃l8 J，牵伸室的压力是不断变化的，这样会导致蒸汽的泄漏不断改变，所以不应测量单-入口或出口的瞬时泄漏量，而应测量整个牵伸室在-定时间内的蒸汽泄漏量。为了保证测量的精度，采用高精度、高稳定性的新型差压式流量测量仪表--V型锥流量计。

为了不影响生产效益，测量时间周期为生产 1卷筒原丝的时间 (即 160 rain)，这样也便于更换迷宫装置。测量周期中，测量的时间间隔为每20 rain-次，即取8个时间点测量。

由于牵伸室入口和出口的热变形影响和定位方式的限制，牵伸室的24个纺位入口或纺位出口不宜全部装上迷宫装置，而应在牵伸室的外围纺位人口或出口装上本迷宫装置。本次实验仅在纺位入口或纺位出口装了2个迷宫装置。牵伸室入口和出口的条件不同会影响牵伸室蒸汽的泄流量，故测量时分4组共9个实验进行对比分析。第-组为牵伸室2个纺位入口装上迷宫装置，第二组为牵伸室2个纺位出口装上迷宫装置，第三组为牵伸室2个纺位的入口和出口均装上迷宫装置，第四组为原牵伸室。各组实验中的密封装置参数如表3所示。

表3 各组实验中密封装置喷嘴内径参数Table 3 Geometric parameters of the nozzlediameter in the experiments mm实验序号 牵伸室人口 牵伸室出口喷嘴I内径 喷嘴I内径 喷嘴I内径 喷嘴II内径3.2 实验结果及分析将实验所测得数据整理，各组实验条件下牵伸室蒸汽的总泄漏量如表 4所示 。

表4 各组实验蒸汽泄漏量的对比Tab le 4 The comparison of leakage in the experiments102 润滑与密封 第 38卷表4中，实验9的泄漏量为原牵伸室的泄漏量，而实验 4、5、7泄漏量大于实验 9，这说明采用实验4、5、7不仅没有减少泄漏量，反而增大了其泄漏量。实验6的泄漏量最少，即采用实验6的迷宫形式可以有效地减少泄漏量。如果牵伸室24个纺位的人口和出口均装上迷宫装置，且喷嘴I、喷嘴II的内径均为 2.70 mE，则理论泄漏量 Q 和相对减少泄漏量a 分别为：Q6Q实验9-(Q实验9-Q实验6)×12407.3(ITI /h)a6(Q实验9-Q6)/Q实验9×100% 44.4%实验1是在入口装上迷宫装置，如果牵伸室24个纺位的入口均装上迷宫装置，且喷嘴I、喷嘴I的内径均为 2.70 mm，其理论泄漏量 Q 和相对减少泄漏量 0l：QlQ实验9-(Q实验9-Q实验1)×12574.2(13 /h)al (Q实验9-Q1)/Q实验9×100% 21.6%实验3是在出口装上迷宫装置，如果牵伸室24个纺位的出口均装上迷宫装置，且喷嘴I、喷嘴 I的内径均为2.70 mm，其理论泄漏量 q 和相对减少泄漏量 a3：Q Q实脚 -(Q实脚 -Q实验3)×12571.5(m /h)a3 (Q实验9-Q3)/Q实验9×100% 21.9%实验 1和实验 3的泄漏量与原泄漏量相比均下降了22%左右。在牵伸室 24个纺位的入 口或出口装上迷宫装置 ，且喷嘴 I、喷嘴 I的内径均为 2.70 mm，不仅能满足设计要求，也能减少 起毛”现象。

4 结论(1)在牵伸室24个纺位的人口和出口均装上迷宫装置，且喷嘴 I、喷嘴 I的内径均为 2.70 mm时，牵伸室的蒸汽泄漏量最校但如果人口和出口均加上迷宫，会增大丝束起毛的概率，故只在牵伸室出口或入 口安装密封装置来满足密封要求。

(2)通过 Fluent仿真计算和实验可以看出只在入口安装迷宫装置，泄漏量也能减少 20%左右。这样丝束 起毛”的概率相对较小，有利于保证碳纤维丝的质量，同时也节约了生产成本。

(3)在牵伸室 24个纺位入口处安装密封装置，- 台牵伸室-天可节省4 t左右蒸汽，而且原丝质量没有下降，车间-天可节省12 t左右蒸汽。