（机械工程专业论文）干气密封技术的研究与应用.pdf

摘臻 本文简要分绍了露蘸流体密封技术的慕懿法b 识和发展情? 兄，聪予于气密封做 了垅袋详缒翁奔落。鸯予筑点突塞，手气密封在滚演、毽工等行逊舞逮透乎压臻 枫上瀚应用越来越广，已逐步成惫工艺气体鹪离速透平压缩祝新橇辘精密封的苕 选。 根据干气密封的特点及典型结构，对蝶旋槽干气密封的结构裥瀑本理论进行 磷究。利餍臻有数学模型、有限元方法对螺旋媾干气密封靛结构形式进萼亍了诗篓， 对密辩形式器毒毒囊等耱点遴行势辑，遂道具体嚣冀、瓣 骚襄褥爨一些簿茨经验 和结论，为今后螺旋槽千气密封技术得以摧广伟出工作。 关键词：泄漏；流体密鲋；千气密封；螺旋槽；端面密封；有限元法 a b s t r a c t t h isa r t ic l eb r j e r l yd e s c r i b e st h eb a s i ck n o w l e d g eo ff l u j ds e a l t e c h n 0 1o g ya n dit sd e v o lo p m e n t ，m a i n l yf o c u s i n go nd r yg a ss e a 】。d r yg a s s e a 辫it h so u s a n d i n ga d v a n t a g e sh a sb e e ni 珏e r e a s i 娃g l y 谨i d e l yu s e 垂 o nh i g hs p e e dt u r b i n ec o 越p r e s 3 0 r si n h of i e l d so fr e f i n e r ya n de h e 璜主s t r y i n d u s t r ya n dg r a d u a l l yh a sb e e nt h ep r i m a r yc h o i c ef o rs h a f te n ds e a lo f h i g hs p e e dt u r b i n ec o m p r e s s o r s t h es t r u c t u r ea n db a s i ct h e o r yo fs p i r a lg r o o v eiss t u d i e do nt h eb a s i s o fc h a r a c t e r i s t i c sa n dt y p i c a ls t r u c t u r eo fd r yg a ss e a l t h es t r u c t u r e o fs p l r a lg r o o v ei sc a l c u l a t e du s i n gm a 乞h e m a t i e sm o d e la n 娃t h el m it e e l e 袋e n 专# 撑专基。蠢s e a 专y p e8 拜琏壤a 毛e r i a i s 拄n a l y s e d 。s o l l l eg o o 蠢e 黑p 8 i e 羟e 8 s a n dr e s u l t sa r eo b t a i n e df r o 琢c a l c u l a t i o n 8a n dc o 珥p a r a t i v # s t u d i e s ，胃h i c h c a nb eu s e dt op o p uj a r i z et h ed r yg a ss e a lt e c h n o l o g yo f8 p i r a lg r o o v e k e yw o r d s ：l e a k a g e ； f lu i ds e a l ；d r yg a 8s e a l ； s p i r a lg r o o v e ； e n df a c e s e a l ：t h ol i m i t ee l e m e n tm o t h o d 兰州理工大学 学位论文原创性声名 本人郑重声名：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行磷 究所取得的研究成聚。除了文串特剐加以标注弓| 用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表戚撰写的成果作晶。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识羁本声名酶法律螽采由本入承掇。 作者签名：巨军f i 期：2 0 0 6 年5 月2 2 日 学位论文舨权使用权授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学俄论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电子版， 允许论文被查阅季瑟矮瓣。本人授毂兰州壤工大学可以籍本学笾论文酶 全部或部分内容编入有关数据库进行梭索，可以采用影印、缩印或扫 描镩复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适嗣本授权书。 2 、不保密盯。 ( 请在以上穗应方耀内打“”) 作者签名：巨军 导师签名：黄建龙 日期：2 0 0 6 年5 月2 2 日 日期：2 0 0 6 年5 月2 2 日 第l 章绪论 1 1 流体密封技术概况 在日常生活和工程实际中，泄漏现象屡见不鲜。为有效治漏，密封技术应运 而生。它研究泄漏的分类及规律、治漏方法、密封机理、密封装置设计和密封使 用方法，是一门综合学科。虽然密封问题在生产、生活中无处不在，但由于起密 封作用的密封件只是机器和设备中的一个小部件，且流体密封理论体系还在不断 完善之中，因此在工程技术界对其重要性的认识尚不充分。 本文对流体密封的定义、作用、分类、涉及的主要学科、主要应用领域以及 最新进展作一介绍。 1 1 1 流体密封的定义 防止气体、液体等流体型工作介质从机器和设备中泄漏或防止外界杂质侵入 机器和设备内部的一种装置或措施成为流体密封。被密封的流体包括气体、液体、 以及气体液体混合物、气体液体固体颗粒混合物，起密封作用的零部件通常 称之为密封件，放置密封件的部位称为密封腔。 泄漏是指具有负面作用的质量迁移。造成泄漏的原因主要有两方面：一是密 封面上有间隙；二是密封两侧有压力差或浓度差，因此被密封的流体通常以三种 形式泄漏：穿漏、渗漏和扩散。穿漏是在压力差作用下通过密封间隙引起的质量 迁移( 包括漏出和漏入) 。渗漏是在表面张力作用下通过密封件材料的毛细管的质 量迁移。扩散是在浓度差作用下通过密封间隙的质量迁移。“1 l1 2 流体密封的作用 流体密封的主要作用有：维持设备的正常工作条件，如高压、高真空等；保 证设备及人身的安全；消除或减轻环境污染；防止或减少物料和能源的消耗，提 高设备的效率。流体密封装置( 或密封) 是流体机械、工艺和液压设备、管道、阀 门等的重要组成部份。密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标。流体密封 是机械设备的易损性、关键性和基础性零部件。 干气密封技术的研究与应用 密封件虽然不大，但往往能决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性。例如： 震j 晾世界的美国“挑战者”号航天飞机的失事原因就是由橡胶密封圈的失效引起 的；改进航空发动机的密封可提高其效率2 3 个百分点；在石油化工透平机械 上采用干气密封大大提高了机械工作的经济性、可靠性和耐久性，这是一个革命 性的进步。 1 1 3 流体密封的分类及其典型代表 流体密封按运动型式分为静密封( s t a t i cs e a l i n g s e a l s ) 、动密封( d y n a m i c s e a n g s e a l s ) 、伪静密封( 或称微动密封) ( p s e u d o s t a t j cs e a li n g s e a l s ) 以及转化为静密封的动密封( c l o s e ds e a l i n g s e a l s ) 。 静密封是指密封结合面间无相对运动的密封，包括垫密封、橡胶塑料圈密 封、胶密封和直接接触密封。 动密封是指密封结合面问彼此有相对运动的密封，又分为往复密封、旋转密 封和复合运动密封。 伪静密封( 或微动密封) 是一种介于静密封与动密封之间的密封形式，表面上 看是静密封，实际上处于微动状态，如机械密封或干气密封中补偿环处的副密封 ( s e c o n d a r ys e a l i n g ) 就属这种密封形式。 为了彻底解决动密封问题，目前出现了如屏蔽泵、磁力泵和全封闭压缩机等 将动密封转化为静密封的机器设备。 1 1 4 流体密封所涉及的主要学科妇1 流体密封是一门涉及多学科的边缘性的工程技术学科，包括流体力学( f 1 u i d m e c h a n i c s ) 、固体力学( s o l i dm e c h a n i c s ) 、动力学( d y n a m i c s ) 、摩擦学 ( t r i b ol o g y ) 、热力学( t h e r m o d y na 【i c s ) 、传热学( h e a tt r a n s f e r ) 、传质学( m a s s c r a n s f e r ) 、材料学( m a t e r i a l s ) 、物理学与化学( p h y s i c s c h e m i s t r y ) 、测量与 控制( m o n i t o r i n 啦c o n t r 0 1 ) 、试验技术( t e s t i n gt e l e o l o g y ) 、工程应用技术 ( e n g i n e e r i n ga p p li c a t i o n ) 、可靠性技术( r e li a b i l i t y ) 等等。 以输送危险气体的高速、高压透平压缩机轴端密封的干气密封为例。首先考 虑密封动、静环元件由于受力和温度作用产生的强度、变形问题及控制措施，这 工程硕士学位论文 涉及到固体力学：要确定密封端面问的气膜压力分布，必须分析气体介质在密封 面间狭窄缝隙的流动，这涉及到流体力学；要分析密封环的热变形，必须确定密 封环的温度分布，这涉及到热力学、传热学及摩擦学；要在密封面问形成稳定的 气膜，必须在密封摩擦副的硬质环面上通过特殊的加工方法刻蚀流体动压槽，这 涉及到超硬材料的特种加工技术；对于高速高压干运转工况下，摩擦副和副密封 材料的选择，这涉及到材料学；要确保干气密封在使用过程具有良好的动态性能， 必须分析密封面气膜的稳定性和静环副密封的追随性，这涉及到动力学；干气密 封的正常运行，离不开辅助系统的支持，辅助系统负责提供干燥、洁净和稳定的 气源，对密封的运行状态进行实时监控，并在密封或机组出现故障时提供报警甚 至联锁，这涉及到测量与控制技术；干气密封在现场的正常使用，必须解决好压 缩机本体与工艺流程的接口问题，这涉及到工程应用技术；干气密封性能的测试 和产品出厂试验必须在高速试验装置上进行，这涉及到试验技术。等等。 1 1 5 流体密封的主要应用领域 流体密封虽然只是机器和设备的一个零部件，但应用范围极其广泛，几乎涵 盖了生产、生活的各个方面，凡是需要将参数不同的两种流体腔体隔离的地方都 需要流体密封。目前，流体密封的主要应用领域包括：石油和天然气开采和输送， 炼厂的各种动、静设备，石化行业的动、静设备，能源工业( 水力、火力和核发 电) ，矿山和工程机械，轻工( 造纸等) ，食品，医药，水陆交通( 汽车、火车、舰 艇、船舶) ，航空( 发动机、液压系统、机舱) ，航天( 液体火箭发动机、飞船) 等。 1 1 6 流体密封技术的要求 1 工况要求越来越苛刻 随着现代工业生产的迅速发展，流体动密封的使用环境正在发生深刻的变 化，对其工况要求更加苛刻，操作条件正向高速、高压、高温、低温、高真空、 大尺寸、微尺寸方向发展。以干气密封为例，目前密封端面线速度达到2 0 0 m s ， 单级密封压力达到4 5m p a ，最高温度达到5 5 0 ，集密封平衡直径达到3 3 0 n l i i l 。 2 性能要求越来越高 随着现代社会对环保和可持续发展的日益重视，对流体动密封的性能要求也 干气密封技术的研究与应用 相应提高，正向高效( 微泄漏) 、长寿命、高可靠性方向发展。仍以干气密封为例， 其微泄漏的特点可使航空发动机效率提高2 一3 ，炼化行业高速透平机械的干 气密封可以无故障运行3 年甚至更长。 3 全无油润滑技术 传统的透平机械油系统，包括密封油系统和润滑油系统，不仅结构复杂、占 地面积大，也是故障率较高的一部分。采用干气密封与磁力轴承相结合的全无油 润滑技术，彻底摒弃了密封油系统，将极大地提高透平机械运行的可靠性和经济 性，是透平机械发展的革命性进步。 1 2 流体密封技术发展 处理危险性工艺气体的透平压缩机必须采用密封性能良好的轴端密封形式， 才能实现工艺气体向外界、或密封液向工艺气体的微泄漏或零泄漏。从密封的发 展和技术水平来看，石油、化工和气体工业用离心压缩机的轴端密封先后经历了 以下几个阶段：迷宫密封、浮环密封、机械( 接触型) 密封、干气密封。 1 2 1 迷宫密封及其发展 迷宫密封是利用流体流经一系列节流间隙与膨胀空腔组成的通道，通过抽气 与充气，使工作介质产生节流效应，以节流降压来减小气体泄漏的非接触式动密 封。其优点是：非接触式，无摩擦、功耗少，使用寿命长；结构简单，制造成本 低，维护方便；对高温、高压、高速和大尺寸部位密封效果特别有效。但存在的 缺点是：密封元件加工精度高，装配较为困难，运行维护费用高；设计或组装不 良，易产生较大泄漏，有环境污染的危险。炼油、化工等行业危险性工艺气体压 缩机使用的第一代轴端密封就是迷宫式抽充气密封结构。 为了克服迷宫密封泄漏量大的缺点，出现了小间隙的碳环密封( 如图卜l 所 示) ，即在密封环内设置碳环或其他合适材料的环，也称为固定环密封。其优点 是：密封为干运转状态，无需润滑；无旋转组件安装在轴上，不会产生附加的轴 振动；径向间隙小，其泄漏量不到普通迷宫密封泄漏量的l 1 0 。碳环密封主要 用于低压压缩机和风机的轴端密封。 4 图卜l 碳环密封结构 1 2 2 浮环密封及其发展 浮环密封是利用浮动圆环进行密封的一种非接触式动密封，采用“以油封气” 的原理来实现被密封气体的零泄漏。从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充 气密封的第二代密封。从原理上来说，通过油楔作用使浮环克服自重而与轴或轴 套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触，轴的高速回转和振动对密封的影响 较小。因此到目前为止，在压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的实际应 用型式中仍然占据一定地位，特别是在一些老机组和高压领域内。 浮环密封存在两大缺点：密封元件制造精度要求高，密封效果易受影响，因 而泄漏量较大，回收处理内泄漏油( 污油) 的设备比较复杂庞大；浮环密封的油气 压差很小，控制系统复杂。正是由于上述两大缺点，且浮环密封辅助系统的投资 远远高于密封本身的投资，浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。 为了克服普通浮环密封内泄漏量较大的缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环 密封组合的螺旋浮环密封形式( 如图l 一2 所示) 。其基本结构特征为：在内浮环 内孔的外侧，即靠近轴承的一侧加工出一段起增压作用的螺旋槽，形成具有增压 效果的增压段；在靠近被密封气体的内侧加工出一段起反向泵送作用的螺旋槽， 形成具有防漏效果的防漏段；两者中间为光滑的浮升段。螺旋浮环结构密封可以 在油气压差为零、甚至为一定负值的情况下工作而保持密封能力，该密封具有可 靠性高和内泄漏小的突出优点。 图l 2 浮环密封结构 1 2 3 机械密封及其发展 在中低膳工艺气体透平压缩机领域，用机械浮环缌合密封或双端面机械密封 替代传统的浮环密封是国内外密封行业一个重要的技术进步。这类密封在中低压 透乎压臻缀馁域正逐步替找蕊绞瓣浮巧密骜，主要青溪方嚣嚣露：一是竞黢了浮 环密封内泄漏爨过大的缺点；其次，这类密封的油气舔麓由浮环密封的o 0 5m p a 提高到o 1 5 o 3 5m p a ，控制的寰全可靠性提高，系统较简单。与浮环密封相比， 密封本体投资加大，但系统投资减少，总投资下降，逛行维护费用降低。 为了甥藏籍决褰速规棱密封鹣凌渣潺运题移癌擐瓣题，重蠹麸2 0 世纪7 0 年 代开始致力予漓膜螺旋稽端露密辩翡研究开发与攘广瘟糟。匿蘸，漓膜螺旋稽端 面密封在技术上已经完全成熟，端面线速度可达1 0 0 m s ，内泄漏量接近于零。 该密封系统谯大量的工业应用中实现了高周速、微溉漏、微磨损、长寿命，其性 能全面超过了遴目的机械密封产龋。圈l 一3 为实隧应愆匏单端商池膜螺旋横密 封懿典型续秘。 图卜3 单端嘶油膜螺旋槽密封结构 工程壤主掌毽浍文 1 2 4 干气密封及其发展 干气密封是采用“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，即干 运转躲囊动气俸滤、媾檄授密封，是基蘸邀赛上最先遂的一 弋高遮逶乎压缩极轴端 密辩型式。萁密篡豹臻擒与蓄通辊藏密封稳钕，所不丽静是：渤、静环密封臻蟊 较宽，在动环或静环( 通常是硬质的旋转琊) 的端面上加工出特殊型式的流体动 压槽，槽深一般在3 1 0um 之间。当环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封 端藤，在密封端西闻形成一层厚度为2 5pm 的气膜，将掰密封 麟隔开，使密封 缳潦接蹇盔运转。手气密嚣懿气貘蓐度虽然缀薄，毽翊度绞大，一显赛凌终器予 扰使密封面间隙变化时，它能迅速回复到原来的平衡位置，其脊狠强的抗外界干 扰的能力。这种密封有以下突出优点：端耐a e 接触，寿命长，可靠性高；密封功 耗低，节约能源；省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小；消除了密封 瀵辩工艺匿路污染熬霹l 牲：运孬； 羹维护爨惩低。 j o h ne r a n e 公司从2 0 鲢纪6 0 年 弋中开始研究气貘润滑诮丽密封技术，至g 2 0 馓纪8 0 年代初已完全达到实用化的程度( 如图卜4 所示) 。从2 0 世纪9 0 年 代初，与进口高速透平压缩机配套的干气密封开始进入中国市场。由于优点突出， 它攘燎浊、化工等行业赢逮透平压缩枫上的缎用越来越广，已逐步成为工艺气体 鬻麓邃透平压缩瓿蓑凝辍端密嚣煞善遥。我强在年我磊麓，开戆逐步雩| 逶国 外干气密封技术应用于大型离心压缩机，国内外干气密封产品价格也开始逐步下 降，蕻性价比远远高于浮环密封和机械密封。因此原来一些采用浮环密封或机械 密封的压缩机，不论怒豳外进口的还是国产的，也逐步改为干气密封。 匿l 一4j o h nc r a n e 公司干气密封结构示意图 7 实践证明，干气密封晟有非常明显的优势，是最先进的一代遴平压缩机轴端 密封形式，已发展成为目前大机组新机项目和改造项目的首选轴端密封型式。 1 3 于气密封的研究帮本文内容 1 3 1 千气密封的研究概况 蘧篱予气密嚣技术耪产瑟黪发震嚣广泛纛麓，蓬痰煮关骥突疆秘瞧爨继对于 气密鲋进行了研究。中国石油大学对干气密封原理和设计理谂避行了研究；四川 密封拽术研究所、北京化工大学也对螺旋槽干气密封的优化设计发表了研究论 文，遮对干气密封技术的应用具有十分重要的指导意义。 醚蘸对于气密封技术的探索性研究集中农以下见方蘑。 i ，关予气簇流态翡搿究 密封面问的气膜，农推导各种方程时都假设为层流，但在高速时流动状态可 能发缴变化，可以是过渡状态的流动或超音遗流等。 有文献报道，窄问隙渡蠢速层流时密封面的稳定性最好；大间隙时会不稳定， 赛琴| 怒瘗垂滚舞紊流浚动瓣转交，显杰窭舀产生蠹速熬滚动，麸舞产生摄凌，接 密封灏遭到破坏。 2 关于工作状态及稳定性的研究 由于轴承的稳定性鬻求与机械密封一致，所以基本上以轴承稳定性研究得到 翡结论佟爻浸 气体螺旋糟予气密鸷的依据。 对工作袄态豹礤究主鬟有班下几个方甏：偏心对密封洼能静影响；密封面颊 斜的影响；密封面变形的影响。目前，对这三者的研究主要以试验为主，尚未建 立数学模型来讨论这些工作状态下密封性能的变化规律。试验证明：偏心、密封 面倾斜及热变形都对密封工作特性有很大的影响，为减小这三者的影响，主要采 取撵藤安装精痉、采建鑫对中磊瑾器设诗素浚活密封戆疆藏。 3 保证气膜稳定性的自调机构 最理想的气膜状态甏求静环与动环始终保持平行，但实际上总有各种角度产 生。通常压力变形导致密封端面外侧可能接触，而热变形导致密封端面内侧可能 工程硕士学位论文 接触，前者产生发散气膜、后者产生收敛气膜。 密封面上压力分布的变化可重新调节密封面，以保持气膜的稳定。也就是说， 一旦通过设计确定了运行间隙并实际校准了，螺旋槽就能在其应用条件下，对可 接受的正常移动情况保持气膜稳定性，但不能超出其运行极限。 4 绝热设计 由于气体导热系数小，摩擦面产生的热不能及时散出，使气膜与密封面间产 生热传导，从而使密封面产生热变形，影响表面间的压力分布。试验证明，磨损 主要出现在槽台区，而密封坝区无磨损。这是由于气膜压降主要出现在密封坝区， 气体在该区膨胀并带走大量的热，从而使密封坝处的温度低、变形小，这样易造 成密封面倾斜、承载能力及刚度降低。为克服这一缺点，通常采用“增加密封坝 的宽度、使气体温度从t ；升到t | 所需热量等于密封面相对运动时对气体的剪切 热”的绝热设计。 1 3 2 本文主要内容 本文对干气密封的研究状况及发展趋势做了简要介绍，根据干气密封的特点 及典型结构，对螺旋槽干气密封的结构和基本理论进行研究。利用现有数学模型、 有限元方法对螺旋槽干气密封的结构形式进行了计算，对密封形式、材质特点进 行分析，通过具体计算、对比研究得出一些好的经验和结论，为今后螺旋槽干气 密封技术得以推广作出工作。 本文第一章主要是课题的背景和综述，介绍流体密封技术和干气密封的研究 现状与发展趋势，以及气体螺旋槽干气密封的研究概况。 本文第二章介绍了干气密封原理与特点，与其它密封形式进行比较，具体介 绍了螺旋槽干气密封原理。 本文第三章从理论上定性分析了螺旋槽干气密封的槽形特点，对具体条件下 螺旋槽干气密封的一些主要参数进行了相应的计算与分析。 本文第四章对干气密封的材料、密封形式及工艺使用注意事项进行了分析与 研究，提出了一些切实可行的办法，对螺旋槽干气密封的实际应用进行了检验。 本文第五章对本文的主要工作进行了归纳和总结，指出了今后进一步的研究 内容和方向。 第2 章干气密封原理 2 1 密封机理 密封的功能是阻止泄漏。起密封作用的零部件称为密封件，较复杂的密封称 为密封装置。对密封的基本要求是保证结合部分的密闭性、工作可靠、使用寿命 长，而且密封装置要求结构紧凑、系统简单、制造维修使用方便、成本低。大多 数密封件为易损件。 造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上有间隙；二是密封两侧有压力 差或浓度差。因此消除或减小任一因素都可以阻止或减小泄漏。 被密封的流体以下列三种形式通过密封件泄露：穿漏、渗透和扩散。“1 1 穿漏 通常将流体通过密封面间隙的泄漏称为穿漏。此时被密封流体在压力差p 作用下通过宏观或微观的缝隙h 泄漏，因此穿漏是单向泄漏。 对于密封来说其最重要的性能是密封性。泄漏量是衡量密封装置密封性的主 要指标，通常用体积泄漏量q 或重量泄漏量g 来表示。允许泄漏量按达到所需的 工作可靠性和寿命的条件来确定。 通过尺寸是宽b 、高h 、长l 的缝隙，平行平面缝隙内单位周边的液体泄漏 量为： q = 1 l r d h 3 ul( 式2 一1 ) 式中v = 0 1 、0 2 一无因次形状系数 u 一流体动力粘度 紊流时单位宽度体积泄漏量为： q 。= q b = 1 l r 。h ( p p ) “5 ( 式2 2 ) 式中p 一流体密度 2 渗漏 在压力差p 作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管的泄漏量称之为 渗漏，因此渗漏也是单向分子泄漏流动。 通过半径为r 的毛细管或接触面毛细通道的流体重量泄漏量为： 1 0 工程硕士学位论文 g = 8 p ( m 2 r t ) “5 r 3 l( 式2 3 ) 3 扩散 在浓度差c 的作用下，被密封介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生 的物质传递叫扩散。扩散的过程是双向进行的。介质的扩散泄漏可分为三个阶段： 吸附一密封件吸收液体： 扩散介质通过隔板的扩散； 解吸介质从密封件另一侧析出。 根据菲克第一定律，稳定过程中泄漏量为： q 。= 1 l r 。g m l( 式2 4 ) 式中1 l r 。渗透系数 q ，膨胀程度 扩散作用的介质泄漏量要比其它两类泄漏量要小的多，其泄漏量为： g k = k1 l r 。c b 如( k 1 1 )( 式2 5 ) 式中b 如与表面粗糙度r z 几何相等的接触区的高度 k 。卜一空隙率 2 2 接触式密封的不足 密封按密封件与其作相对运动的零部件是否接触，可分为接触式密封和非接 触式密封。其中机械密封是接触型动密封中主要的一种类型。目前接触式机械密 封技术存在的问题主要有： l 、密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染 接触式机械密封的密封原理是在被密封流体与外界存在压力差( 一般是压力 高于外界压力) 的前提下，尽可能减少密封摩擦副端面之间的轴向间隙，以尽可 能减少被密封流体的泄漏。因此，接触式机械密封是难以实现被密封流体的零泄 漏，更不可能实现其零逸出。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密 封的应用将受到越来越多的限制。 2 、密封端面存在摩擦、磨损，使用寿命短 由于密封摩擦副之问存在着直接的固体摩擦和磨损，且在气液混合相摩擦状 态下易出现干摩擦状态，导致零件表面产生严重磨损，其结果必然使密封出现早 干气密封技术的研究与应用 期失效。正常情况下普通接触式机械密封的使用寿命不超过一年，而对一些润滑 性差、密封流体或含一定量固体颗粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至 数天。 3 、密封工作状态不稳定，失效概率大增 密封端面之间的摩擦温升对密封摩擦副的工作状态有极大的影响，有可能使 易汽化类介质在密封端面内发生液膜汽化( 即相变) ，由单相润滑变为混相润滑， 使密封摩擦副处于不稳定的工作状态，密封失效的概率大大增加。 4 、密封件产生热裂、热涨而失效。 密封端面之间由于干摩擦而产生急剧温升，使密封材料的机械性能降低，容 易造成密封环( 主要指硬质合金环) 热裂、辅助密封圈热涨等现象，而使密封早 期失效。机械密封工业失效记录中有相当比例是由于密封端面温升过高造成的。 5 、密封抗外界干扰能力差 接触式机械密封在转动设备振动或处于频繁开停工工况下的工作性能会发 生明显的改变，工作状态的稳定性显著下降，密封失效概率大大增加。工程上表 现为其使用周期较之稳态工况下的使用周期大大缩短。 6 、改变介质性能，影响产品质量。 接触式机械密封因端面摩擦温升高，会使密封周围工艺介质的性质发生明显 改变( 如聚合、结焦等) ，从而影响密封的使用效果。对生物制药，食品加工等 行业而言，接触式机械密封摩擦副端面形成的磨粒会污染输送介质，从而降低产 品质量和市场竞争力。 7 、运行费用高，经济效益低 为了改善机械密封的工作环境，工程上常常对其采用冷却、冲洗等措施。最 常采用的冲洗方式是内冲洗，即通过导管把出口的部分流体引出并注入密封箱， 使该部分流体在设备内形成自循环，从而部分程度地降低了效率，相应降低了工 艺装置的生产效率。采用冷却手段往往是用水对密封进行直接冷却并自然排放， 浪费了大量的水资源并增加了污水处理的费用。 8 、辅助系统复杂，可靠性差 对接触式双端面机械密封和串联式机械密封必须设置阻塞流体( 或缓冲流 体) 循环的控制系统，从而大大增加了密封装置的一次性投入成本。另外其运行 工程壤学毽论文 的w 靠性直接影响着搿封工作的稳定性和可靠性。 9 、使用范围窄 谈触式祝械密封盼经瘸范围受到限制，不适用于高压、离逮、赢p v 值工况 下旋转藐壤粪辘封，瓣予密鹭裹危险洼、蠢含霾薄颓粒赘王艺滚俸，其密骛弱胃 靠性及耐入性等方面也不尽入意。 2 3 干气密封的工作原理 2 0 篷纪6 0 年代裙荚嚣久d e n n y 发表了魏蠡皇第一篇关子滚 奉演貘对辊辕密封 的影响的研究论文。荧潮j o h nc r a n e 公司利用流体油膜的概念，在6 0 年代中期 研制出一种流体静力学曲面密封，该密封较之已由密封显示出较大的改进，但仍 有缺陷。要防止密封巅接触，必须有压差存在。为了克服曲面密封不能在零压差 下搽 睾，j 。h nc r 嬲e 公司隧蘩爱翻窭一秘螺菠穰壅基瑟密封，这撑裁逛螺旋禧 理沧与流体油膜的概念结台起来，螺旋槽鞠丽密封把流体动压鞫流体静压产生机 理有机组合在一起，径向面上呈现的螺旋槽提供出流体动压部分，而横穿曲面的 压力梯度提供出流体静膳部分，即干气密封( d r yg a ss e a l ) 概念。1 9 6 8 年英 嚣o h n e r a n e 公司孛请了第一硬手气密封专联技术。 经数年的醑究，1 9 7 5 年j o h ne r a n e 公嗣率先稚基于气密封产品并投入工、监 使用；1 9 8 1 年一个螺旋槽气体密封被安装到天然气管线上的射流式压缩机的外 侧端：1 9 8 5 年干气密封用于第一台近海平台的2 0 ，0 0 0 h p 压缩机、蒸汽透平压缩 机；1 9 8 6 年干气密封用于第一台循环氢压缩机改造；1 9 8 8 年螺旋横密封安装在 第一套乙烯冷凌蓬缝税主；之后，臻燕骥气蒋密嚣应趸在苯乙灞、零苯、氨合藏、 二瓴化碳、氯甲烷和氟率i j 昴气体的压缩机。 千气密封也称为气体端面密封，是在密封面上开一定形式的浅槽，两个密封 端两做耜对转动时，通道浅槽产生流体动滕效应，在力的作用一f 两个摩擦副之间 形成缀薄弱一层气貘，获纛镬密鹭工 睾在接鲢获态下。鸯 二戆瓣嚣不接囊耋，整 封产生静摩擦热小，僳诞了两个密封面酌气体润滑，从丽密封的寿命很长；出手 密封面的气膜间隙很小( 一般为几微米) ，气体泄漏很小；由于密封端面的气体一 般为缓冲气，产生的流体动压力又阻碍了介质气的泄漏，从而达到了气体密封的 篷瓣；由于不需要复杂的封浊辅助系统，制遮成本及维护费髑辫低；出子基本上 予气霉封技末斡婿嚣譬驻鞠 不受p v 值的限制，适合作为高速高压条件下的大型离心式压缩机的轴封。因此， 干气密封是今后气体密封的发展方向。 干气密封的工作原理如下： 大多数疰臻税密封都蔻楚矮一藩一盖熬密簿绥秘。冀鍪戆于气密瓣跫壶一拿 位于不锈钢套环内的o 型潮密封且由弹簧力顶蕾的初级碳环、与之配合且固定和 密封在雁缩机的转动轴上的碳化钨合金组成。圈2 一l 所示为典型的卷简式干气 密封的前后密封，所有构件装在金属固定器内，网定部分含有一个带有弹簧的碳 孝辛主强，辕磅主琢露金瘸套镑之凌舂。墅密封毅蜜封；转魂部分含饔盘钨碳凭镌 或硅碳化物制造鹩匹配环，其密封表面开有槽，这一构件包含在龛簇覆层内，并 由匹配环外径上的拖动片带动。碳材主环悬浮在由匹配环表面上的列数螺旋形浅 槽产生的气体细微薄膜上。当匹配环旋转时，就会产生一种水力效应，这种效应 使季导气体漩岛槽的底邦，避使两表垂分开从丽形成动态密封。 图2 一l 卷筒式干气密封结构 2 。莲于气密封酶结构特点帮槽型 2 。4 1 干气密封的典型结构 于气密封形式如图2 2 所示：闻隙( 单向槽3 l o p m 、双向横2 8h m ) ； 疆；凌爨懿压力垂动撼凌静嚣谖整到一令警簿整萋；压续； 密封堰； 膨胀；弹簧：工艺介质气体压力；静环；动环；n d 气膜厚发；单向槽； 0 毋双向槽；0 4 ) 单向和双向螺旋槽的性能；0 5 ) 弹簧座：推环。 动环材质为碳化钨或碳化硅，表面带有螺旋槽，开至动环面中问部位：静环 为碳环。在停车状态时，动静环通过弹簧作用力贴台在一起，接触面具有很高的 粗糙度。在旋转时，缓冲气由动环外径深槽处引入，沿槽型气体被推到浅槽的内 经处，在懿个豳周的螺旋槽上形成密封堰，对气体的流动形成阻力；当被引入的 气薅莲力遂大惹，动静繇程互分褒。萁压力交 笔夔线为获动巧癸径楚弱蝶凝结终 点方向，雁力逐渐增大，经过螺旋稽后，压力突然降低。该压力使静环移渤小 段距离。根搦密封形式不问，距离可从3 1 0 “m 不等。该间隙的大小照密封左 侧的弹簧力加上介质气体压力与密封动静环之间密封气压力算术平均德相互平 褥靛结果。巍于凌静巧之闯孬在濑羰，会有少量瀵溺。当动、静耳闻涨瀵大靖， 其滴酶气体糕力藏会减小，外铡艇力增大，闯黧减小。反之，其闻的气 奉魅力增 大，动静环掰分开。 ，霞t ，麓童亟霹这蛐| 肇辩m ，! 一渗率瓣耩小熟 l m ， 3 、串衡性雅褥喾a h 娃 7 # 4 苯蹋聚台鞠镦番萼弹 查用蕊葳范濑 一2 霸啦笆，一柳( ，；5 洼用聪鄢漶2 0 虢；螺，黻殿离槽气拱瓣 动嚣挚邵分开蔫襞的运麟黼。募傀熏是援癌蕃奄氇瓤勒蛹藕非驱韵渊 密饔孝栉澎贰棚l 葡霹濑祷姻网的备件。 图2 2 予气密封组件及形式 2 4 2 干气密封的槽型设计：b 1 流体通过动环和静环的径向接台面实现密封。密封表面研磨得非常光滑，转 动豹碳化钨磺质台金环旋转平蕊上加工有一系列螺旋槽，呈对数螺旋梨豳槽布 置。这一设诗糖有一最佳燕度，黧魏在工 乍中裴产生袋大挺舞力，疆裹鬻辩表嚣。 假如开槽角度大一点或小一点，产生的压力将会减小。这一优化凹槽结构由约翰 克兰公司专刹所有。最佳开槽角度也是双向密封的关键设计。双向开槽设计已经 应用在压缩机反向运转而产生危险的场合。 常见的几种浅槽形式如图2 3 所示 图2 3 常见的几种干气密封的槽形 当密封旋转时，被密封气体周向吸入螺旋槽内，径向分量由外径向中心流动， 而密封坝限制气体流向低压侧，气体随着螺旋槽截面形状的变化被压缩，在槽根 部产生局部高压区，将动静密封环打开形成约3 5um 宽度的气膜，由气膜产生 的开启力与弹簧和介质形成的闭合力达到平衡，于是密封形成非接触运转。而螺 旋槽产生的流体动压总是能平衡外界干扰对动静密封环之间问隙的影响，保证密 封件运转的平稳性( 如图2 4 所示) 。 图2 4 密封槽工作原理 2 4 3 干气密封的间隙伽 2 4 3 1 常规间隙 搿辩城 辩： 母球 絮旋携 随着转轴旋转，流体被泵入螺旋槽的根部，在此处环面形成密封隔离墙，阻 碍气流产生高压，迫使碳环表面与碳化钨硬合金环分开。当闭合力与流体气膜内 产缴的开启力相等时，密封匿之间的问隙就被建立。 溺台力是 睾臻程熹三环上熬系统垂力器索鑫弹簧熬一较枣力弱莛弱馋援结 果，开启力是系统压力和疆配环随着压缩机轴旋转时螺旋槽产生的力之和。当开 启力等于闭合力时，系统在设计规定的密封问隙情况下达到平衡。当工况环境稳 定、密封表面保持同一平幸亍关系时，密封件将继续在此状态下工作。假如密封间 豫戮予撬磊发生变纯，潮螵陵疆产生弱匿力激会耀应变化。 2 4 3 2 操作间隙 闭合力f c 是由系统雁力加上一个很小的弹簧力而得到，开扃力f o 是由下降 静系统压力加上由螺旋襁所产生的压力耐褥到。在平衡时( f c = f 0 ) ，操作间隙如 嚣2 巧蘑示。 图2 5 正常间隙示意图 l 、间隙减小 假如密封间隙因干扰而减小，由螺旋槽产生的压力会大大增加，开启力显著 蟪壤燕，谴乎簧恢复。魏黧2 6 魇示。 1 7 图2 6 间隙减小示意图 2 、间隙增搬 瑕秘密封蘑蘸鑫子挠 l ；罐大，圭螺旋槽产塞瓣篷力会减小，羚舞力疆痤藏小， 密封将很快地重新恢复平衡。如图2 7 所示。 上述两种情况中，闭合力大小不变，无论那一种情况出现，平衡会快速建立， 密封间隙恢复常值。这种恢复机皋称为膜层硬度。间隙的微小变化能大大增加膜 层硬波，这就使褥密鸷l 牟对瞧秘械扰动产生静题力 受敏感。忽略系统霉甄梳梭于撬， 密封瓣秘珏配环之间无直接接触。 圈2 7 间隙增大示意图 2 4 。垂予气密封的气膜雕度 王程硬掌佼论文 气膜刚度是衡量密刿稳定性的技术指标，是指气膜作用力的变化与气膜厚度 变化之比。其值越大，密封运行越稳定。在使用过程中，缓冲气粘度、温度越大， 密封转速越高，气膜刚艘越大。 于气密嚣塞嚣垂润靛气簇其毫一定熬纛蹒疫，檬泛了整爨遮转豹稳定毪。 2 4 5 干气密封的特点：b 1 l 、没有磨损 娄辘旋转靖，密封褒嚣蔹一层薄骥气 零添嚣，嚣筵避免了密嚣彳拳魏瘗援。这 大大增加了其可靠性并使密封维修率降到皴小。 2 、无需给油系统 在干气密封中，复杂、笨重、昂贵的给油系统被清洁紧凑的监控系统所替代， 空闼、重量、或本费麓均黪低；枣子不菇漤要润滑、淫，工 乍气 零懿涟污染荦导裂骞 效捺除，改善了产品静疆曩。 3 、低能耗 湿润滑密封一般要以粘滞形式较多吸收能孱。干气密封实质是没有阻抗，摩 擦损失减少至4 低于2 ，节能效果显著。 4 、改善转子系统豹稳定娃 传统的接触密封中轴与转予的不稳定是不可预知的，干气密封则可以预知并 且不会影响转子的稳定性。 5 、改善操作的安全性 于气密鸷系统蓑 除了密封涵中敢瑗氢纯会气俸蔻验集蒙夔蠲憩魏，葳聂改善 了操作豹安全性。 2 4 6 气体端面密封槽型的结构种类 投据气膜产生嚣蘧，可将疆墅分菇魏下尼静： 1 ) 静压型 静力台阶型( 如图2 8 所示) 环面节流孔型( 如图2 0 所示) 锥型( 如图2 l o 赝示) 2 ) 动压型 瑞利台阶楔型( 如图2 一l l 所示) 平楔型( 如图2 一1 2 所示) 颡麓撰童( 热潮2 一1 3 新示) 波度型( 如图2 一1 4 所示) 螺旋槽型( 如图2 一1 5 所示) 人字槽型( 如图2 1 6 所示) 口 二旧酲 踅2 8 静力台除鳖圈2 9 骂瑟节浚魏囊图2 一1 0 镶鬃 二：二二 - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - - - 1 _ 。 _ _ l - - 一 厂l ，_ 一。 矿 = 3 二二： t 一j ：一二一 匕二二 ! 王 一一，。j ：。一一一 翊2 一l 璃剩台汝貘爨图2 一1 2 平禊墅圈2 1 3 颓裁禊壅 厂_ 1 1 一、，7 、，、，、 、 i _ _ - 。- _ 一_ m _ _ 一 强2 一l 波度鹫 图2 15 螺旋槽烈图2 一1 6 人字槽型 图2 一1 7 环面带注孔的螺旋槽型图2 一1 8 圆弧面螺 3 ) 动静压混合型 环面带注孔的螺旋槽型( 如图2 一1 7 所示) 圆弧面螺旋槽型( 如图2 一1 8 所示) 以上各种结构中，螺旋槽机械密封结构更合理，更具有先进性。 第3 章干气密封的性能分析和结构形式 3 1 干气密封的受力分析瞄1 螺旋槽干气密封是一种非接触式密封，具有无摩擦、无发热、长寿命及功耗 低、可靠性高的优点，己广泛用于离心式压缩机、膨胀机、气体透平机以及其他 高速和高压的机器中。下面以螺旋槽干气密封为例，分析干气密封的受力情况。 3 1 1 假设 基于流体力学基本理论，同时考虑密封环和密封系统本身的结构，对密封端 面间的气膜以稳态流场分析，对密封端面间的气体流动和密封结构进行如下假 设： ( 1 ) 等温等粘条件，密封非接触，热量产生少，温度变化可忽略，而且气 体粘度相对于温度和压力的变化不敏感； ( 2 ) 理想气体流动在气体密封分析中，不需要具体的气体热动力分析； ( 3 ) 层流流动气膜间隙很小，只有几个微米，雷诺数很小； ( 4 ) 密封为刚性端面，密封环材料的弹性模量高、刚度大，忽略密封环变 形对气体流动的影响； ( 5 ) 密封环相互平行，密封端面非常光滑，端面间的气膜厚度相对一致， 忽略密封端面粗糙度对气体流动的影响： ( 6 ) 连续的完全气体流动，密封气膜中的气体作层流运动，属于牛顿流体； ( 7 ) 气体分子与密封表面无相对滑移； ( 8 ) 忽略气体的惯性力和体积力； ( 9 ) 密封的对中性好，忽略在工作过程中系统扰动和振动对气膜流场的影 响。 3 1 2 数学模型 图3 一l 给出了典型的螺旋槽干气密封的二维数学模型，密封面槽型为螺旋 型，满足对数螺旋线方程，在极坐标系统( r ，o ) 下表示为： r = r 。e “。( 式3 一1 ) 由于密封端面上螺旋槽呈对称性和周期性分布，选择其中一个槽台区和与之 相连的坝区作为计算区域( a b c d e f ) 。如图3 2 所示。 图3 2 计算区域 3 1 3 螺旋槽干气密封控制方程临 3 1 3 1 在普通柱坐标下的表现形式为： 案+ 名+ 专2 。 “毫+ 一号+ 钾芝= 絮j 寺+ 寺+ 訇 “等+ ”专+ 埘专= 篙+ l 寺+ 睾+ 割 “誓一专+ w 务絮+ z 【寺寺+ 訇 ( 式3 2 ) 方程的解法采用有限差分法，先把计算域划分为若干个有限控制体，用差商 代替偏微分方程中的微商，得到代数方程，然后将代数方程在控制体上离散，得 到代数方程组。编制计算程序解方程组可得到结果。 3 1 3 2 在极坐标下表现形式为： 品( 脚嚣) + ，砉( 珊3 等】；e 炒2 掣 ( 式。一。) 控制方程在计算区域内的边界条件有两类，在第一类边界条件c - 上压力值巳 知，在第二类边界条件g 上压力值满足周期性。 第一类边界条件c 。为：当r = r ；时，p = p i ；当r = r o 时，p _ p o 。 周期性边界条件c ：为： p ( r ，e ) = p ( r ，e + 2 m ) ( 式3 4 ) 由于压力场为非线性的偏微分方程，实际边界条件和初始条件相当复杂，通 常很难获得其理论解，因此经常用数值计算的方法来获得其近似解a 3 1 3 3 极坐标下求解 采用雷诺方程的离散化方法进行。为了方便雷诺方程的数值求解，首先对( 式 3 3 ) 进行无量纲处理得： 鑫辫嚼藏鬻黪 ( 式3 5 ) 利用伽辽金法，可将求解( 式3 5 ) 的问题变为一个求解积分方程的问题a 首先定义函数a ( p ) 为： a t * 焘多打3 嚣 裁i 繁+ ：篱 一瓢挚曲( 式3 - 6 ) 将未知场函数p 用一族带有待定参数的已知函数来表示，设： 乒= 中，只 ( 式3 7 ) 在假设边界条件已经满足的前提下，根据伽辽金法取权函数= 中，即简 单地利用近似解的插值函数序列作为权函数，近似积分形式为： j