（机械制造及其自动化专业论文）t型槽干气密封性能研究.pdf

西华大学硕士学位论文 t 型槽干气密封性能研究 机械制造及其自动化专业 研究生陈秀琴指导老师朱维兵 干气密封与其它密封相比，具有可靠性好、寿命长、环保、经济等优点， 在石油天然气、化工和航空等重要工业领域中取得了日趋广泛的应用。 本文首先结合国内外相关资料总结了干气密封的研究现状、存在的问题， 指出了干气密封今后的发展趋势和研究方向。介绍了干气密封的密封机理和 工作原理。 根据可压缩完全气体雷诺方程，建立了等温条件下的t 型槽干气密封控 制方程，再经转化得无量纲控制方程。建立了气膜压力、气膜厚度、泄漏量 等主要参数的计算公式。提出使用数值计算法来求解控制方程的思路，分析 了有限元方法较差分法及体积法的优点。 从计算流体力学的角度出发，用s o l i d w o r k s 软件建立了符合实际物理意 义的t 型槽干气密封的三维几何模型，并用g a m b i t 软件对从整体模型中切割 下来的计算区域划分网格。采用计算流体力学软件f l u e n t 对气体端面密封的 模型流场进行模拟仿真。利用目前研究较成熟的螺旋槽干气密封有限元分析 结果，验证了使用f l u e n t 软件的可行性，然后模拟仿真并分析得出了t 型槽 干气密封的三维压力场分布规律。 提出一种t 型槽干气密封端面平衡间隙的计算方法：通过采用数值模拟 的方法对端面开启力进行计算，结合闭合力的计算数值，确定出密封端面平 衡间隙，可为密封运行状态的判断提供依据。 在大量的数值模拟基础上，分析了t 型槽干气密封的操作参数( 转数、 压力等) 和端面槽形几何参数( 槽数、槽深、槽宽比、密封坝长比、平衡间 隙等) 对密封性能的影响。 通过对t 型槽干气密封性能及端面平衡间隙的深入研究，得到一些普遍 性的规律，为气体端面密封的设计和工业应用提供了理论依据，并为后续的 密封参数优化、稳定性分析、动态分析、力变形和热变形等研究工作打下坚 i 西华大学硕士学位论文 实的基础。 关键词：气体端面密封，t 型槽，端面平衡间隙，数值模拟，f l u e n t 软件 i i 两华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo ft - s h a p eg r o o v e d r yg a s s e a l m a c h i n em a n u f a c t u r ea n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t ec h e nx i u q i ns u p e r v i s o r z h uw e i b i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e so fs e a l ，d r yg a s s e a lh a st h em e r i t so fh i 曲 r e l i a b i l i t y , l o n gl i f e t i m e ，n op o l l u t i o na n de c o n o m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，s oi t i sm o r e w i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，n a t u r a lg a s ，c h e m i c a la n da i r c r a f ti n d u s t r i e s a tf i r s t ，t h ep r e s e n tr e s e a r c h i n gs t a t u so fg a ss e a la n dt h es u b s i s t e n tp r o b l e m s a r es u m m a r i z e d ，t h ed e v e l o p i n gt r e n di sp o i n t e do u t ，a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f d r yg a ss e a li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fb a s i cp r i n c i p l eo fh y d r o - m e c h a n i c s ，t h ef l o wm o d e lo ft h eg a s b e t w e e nt h et - g r o o v ed r y g a ss e a lf a c e s i se s t a b l i s h e d t h en o n - d i m e n s i o n c o n t r o l l i n ge q u a t i o ni sg a i n e db yp r e d i g e s t i n g ，a n ds o m ef o r m u l a eo ft h ep r i m a r y p a r a m e t e r s ，s u c ha s ，f i l mp r e s s u r e ，f i l mt h i c k n e s sa n dl e a k a g e ，e t c ，a r ee s t a b l i s h e d t h ec o n t r o l l i n ge q u a t i o nc a l lg a i nas o l u t i o nb yn u m e r i c a lv a l u em e t h o d ，s u c ha s ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h es a m et i m e ，t h ea d v a n t a g eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o di s i n t r o d u c e d f r o mt h ep o i n to fc o m p u t i n gh y d r o m e c h a n i c sv i e w , t h et h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r ym o d e lo ft h et - g r o o v ed r yg a ss e a li sb u i l ti ns o l i d w o r k ss o f t w a r e ，a n d t h em o d e li sa c c o r d e dw i t ht h ea c t u a lp h y s i c a ls i g n i f i c a n c e t h eg i r d i n go ft h e c o m p u t i n gr e g i o ni sr e a c h e dw i t hg a m b i ts o f t w a r e t h eg a s f l o wc a p a c i t yo f t - g r o o v ed r yg a ss e a li sr e a c h e dw i t hc o m p u t e r s i m u l a t i o ni nf l u e n ts o f t w a r e t h e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di sp r o v e db yt h er e s u l to fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l ，a n d t h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft - g r o o v ed r yg a ss e a ll i q u i dp r e s s u r ef i e l di sg a i n e d ac a l c u l a t i o no ft h eb a l a n c ef a c ec l e a r a n c eo ft - s h a p eg r o o v ed r yg a ss e a li s p r o p o s e da sf o l l o w s ，t h r o u g hu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t oc a l c u l a t et h e o p e n i n gf o r c e ，a n dc o m b i n i n g t h ee v a l u a t i o no ft h ec l o s i n gf o r c et od e t e r m i n et h e i i i 西华大学硕士学位论文 b a l a n c ef a c ec l e a r a n c eo f t - s h a p eg r o o v ed r yg a ss e a l ，w h i c hp r o v i d e sab a s i s j u d g m e n tf o rs e a lr u n n i n gs t a t e o nt h eb a s i so fn u m b e ro fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ew o r k i n gp a r a m e t e r s ( s u c ha s ，s p e e d , p r e s s u r e ，彘) a n dt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r s ( s u c ha s ，g r o o v e n u m b e r , g r o o v ed e e p ，g r o o v e r i d g ew i d t hr a d i o ，s e a ld a ma n dg r o o v er a d i o ，e t c ) w h i c ha f f e c ts e a lp e r f o r m a n c e ，w e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ea f f e c t i n gc u r v e s a r eg a i n e d b ys t u d y i n gt h et - s h a p eg r o o v ed r yg a ss e a lp e r f o r m a n c ea n db a l a n c ef a c e c l e a r a n c e ，s o m eu n i v e r s a ll a wi sg o t t e n t h i sp a p e ro f f e r st h e o r e t i c a ls u p p o r tf o r e n g i n e e r i n gd e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h et - s h a p eg r o o v ed r yg a ss e a l ，a n dl a y sa s o l i df o u n d a t i o nt ot h es e a lp a r a m e t e r s o p t i m i z e d ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，d y n a m i c a n a l y s i s ，d e f o r m a t i o na n dh e a td i s t o r t i o n ，a n do t h e rr e s e a r c hf o l l o w e d u p k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，t - s h a p eg r o o v e ，b a l a n c ef a c ec l e a r a n c e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，f l u e n ts o f t w a r e i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：阿秀劳 略年占月1 日 导师签名：杀：f 侄更浒月i 1 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 干气密封( d r yg a ss e a l ) 的概念是2 0 世纪6 0 年代末在气体润滑轴承的基 础上发展起来的，是对接触型液膜机械密封的改进。干气密封作为一种非接 触式密封是目前密封技术研究的热点，其极限速度高，密封性能好，寿命长， 不需密封油系统，功率消耗少，操作简单及运行维护费用低。干气密封作为 不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统，正取代浮环密封和迷 宫密封而成为石化行业高速离心压缩机轴封的主流旧1 。 1 1 研究的目的和意义 在日常生活和工程实际中，泄漏现象屡见不鲜。现在国内外石化行业普 遍使用离心式压缩机来输送各类工艺气体，这些气体大多具有易燃、易爆、 有毒的特性，如瓦斯，氢气等。为了防止或者限制这些工艺气体沿压缩机旋 转轴端部泄漏到大气中，必须采用各种密封性能良好的轴端密封装置。在整 个压缩机系统中，轴端密封仅仅是一个很小的部件，但它往往能决定机器设 备的安全性、可靠性和耐久性，其作用对整台机器、整套装置乃至整个工厂 的影响都很大口3 。特别在石油化工企业中，处理的大多是具有可燃性、腐蚀性、 易燃及有毒的介质，而且通常工作压力和温度较高，一旦密封失效，介质泄 漏不仅污染环境，影响人体健康和产品质量，而且往往会导致火灾、爆炸等 重大事故。流体密封也被广泛应用于航空航天、国防军工、核能发电等高新 技术领域，以及石油、石化和化工等国民经济各主导行业。 密封技术虽然不是领先性技术，但往往是决定性关键技术。如火箭的液 氧透平泵、核能发电站中的主冷泵、高压聚乙烯的高压压缩机、铂重整装置 的无油润滑压缩机和聚丙烯的反应釜等许多机器设备的方案就取决于密封技 术4 | 。 因此，为了有效防治泄漏，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。 同时，密封还直接关系到能源以及水和成品物料等资源的节约问题。在 整个能源消耗中，各种流体动力机械占据的比例较大，这些机械的内漏或外 漏，往往造成容积效率降低，其功率损失达总功率的1 0 以上，小型机器甚至 达4 0 一5 0 1 。因此，提高压缩机轴端密封运行的可靠性和稳定性，降低物料 两华大学硕士学位论文 和能源的消耗，始终是石油化工设备技术中的一个重要课题。 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。 目前，离心压缩机应用最为广泛的密封是浮环密封和机械密封。这两种 密封的共同点在于需要一套复杂而庞大的密封油系统以维持密封。这种采用 液体( 油) 作为隔离流体的密封，称之为湿式密封。其基本原理是通过使用比 被密封气体压力高的高压油来封住气体。高压油与气体的压差将强迫油进入 工艺气体，也可能进入环境，从而导致工艺气体和环境的污染。同时，由于 密封油系统的零部件较多，其可靠性较低，故障率较高。据统计，离心压缩 机失效原因中，润滑和密封系统的故障占5 5 - 6 5 ，启动故障中油系统故障率 达到9 0 。另外，这种密封油系统的辅助设施价格昂贵，占机组价格的2 0 - 4 0 ， 而且维护费用也较高。为了克服上述湿式密封的缺点，近年来，随着密封技 术的不断发展和完善，出现了一种称之为干式气体密封( d r yg a ss e a l ) 的新型 轴封，解决了多年来机械密封一直不能干运转的难题。这种密封采用气体作 为密封介质，是一种非接触式新型轴端密封。相对于传统的接触式机械密封， 这类密封具有以下优点：运行无磨损，功耗小，泄漏量小，可实现零泄漏或 者零逸出，结构相对简单，无需复杂的封油系统，安装维护费用低，系统可 靠，可实现长周期稳定运行。 实践证明，干气密封具有非常明显的优势，是最先进的一代透平压缩机 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。 在国外，干气密封技术已比较成熟，在工业上也获得了广泛的应用，越 来越多的泵、压缩机、膨胀机和气体透平机等旋转机械采用了此类密封。中 国从9 0 年代初开始研究开发干气密封技术，但无论其深度、广度和技术水平 都与国外存在很大差距，特别在高压领域，目前还不具各产品的生产能力。 因此，开展气体润滑密封技术的研究对于提高我国密封技术的整体水平，具 有重要的现实意义。 通过各方面的分析来看：一方面，干气密封产品目前市场需求逐渐增大， 前景看好，新产品的销售和旧产品的维护将会是一个巨大的市场。由于国内 2 西华大学硕士学位论文 相对国外起步晚，因此很大部分靠国外进口，价格高，维护、调试不方便。 很有必要加强国产干气密封的研发，提高其密封技术指标，使其性能进一步 提高；另一方面，从干气密封在工业现场应用情况来看，虽然其总体较普通 机械密封寿命及稳定性提高不少，但仍因各种原因表现出运行稳定性欠佳， 甚至过早失效。因此很有必要在现有基础上，进一步研究。 1 2 干气密封国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 干气密封国内外研究现状u 卜1 6 1 随着干气密封技术产品的发展和广泛应用，国内有关研究机构也相继对 干气密封进行了研究。中国石油大学对干气密封原理和设计理论进行了研究； 四川密封技术研究所、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，这对干气密封技术的应用具有十分重要的指导意义。另外还有： ( 1 ) 密封端面摩擦的研究 端面间的摩擦是决定密封性能的首要原因之一，也是长期以来研究的热 点。m a y e r 认为普通机械密封的界面一般为边界摩擦3 ，并基于边界摩擦学 说提出了流体交换流动理论；n a u 认为：目前应用的机械密封大都处于流体 动力摩擦一1 。l e b e c k 的试验研究则表明，在水润滑条件下的普通机械密封中 并不能形成足够的流体动压承载能力；a h 戈卢别夫研究了缝隙内的流体流 动，指出密封元件的热弹性变形与表面缺陷之间的关系 1 ；s u m m e r s - - s m i t h 等证明在一定条件下，端面处于混合摩擦状态阳1 。因而对于普通机械密封，大 多数人所接受的为混合摩擦学说，即机械密封正常工作状态为混合摩擦，在 开、停车会出现干摩擦，在润滑性良好的工况可能会出现边界摩擦。但对此 也尚未定论，需要进一步研究。同时还有很多学者对此进行了深入的研究。 c h r i s t e n s e n 给出了详细的混合摩擦理论分析，并建立模型哺1 ；戈建志等在 c h r i s t e n s e n 的基础上，建立处于流体动压润滑的理论模型，并通过实验对其进 行验证n ；葛培琪根据雷诺方程和弹性固体接触理论，建立了混合摩擦模型， 并给出计算流程和实例。这些为密封机理的研究奠定了一定的理论基础。 ( 2 ) 干气密封的结构研究 密封的结构一般分为机械密封部分和密封系统两个部分。机械密封部分： 摩擦副，主要在配对宽度、端面的精度以及宏观开槽等方面做了很多的研究， 西华大学硕士学位论文 而且以宏观开槽为研究的热点；补偿机构，对弹簧的断裂失效尤为关注，而 且很多的场合已改用波纹管形式，尤其在炼油厂中的热油泵、高温、低温泵 效果更突出；防转装置，仍未给予足够的重视，不同布置中的元件数在不同 设计中也不一样，今后要在研究其形状、数量及其公差对密封运动学特性的 影响等方面做更多的工作；由于密封端面配合要求很高，这就对其安装提出 严格的要求。在密封系统的研究方面，有研究把密封室改为4 5 。喇叭型或“旋 风”式，对改善密封工作环境取得较好的效果n2 | 。但是在一些工作条件苛刻 的情况，需要引用组合式机械密封结构，而且迫切需求对监控系统和报警装 置的深入研究u 引。 ( 3 ) 密封现代设计 我国密封技术发展的另一个难关在于设计手段的落后。目前，国外著名 的密封公司大多拥有自主开发的机械密封c a d 软件，典型的有j o h n c r a n e 公 司的软件，具有计算运行密封模拟值的功能，而我国直到1 9 9 6 年才由合肥通 用机械研究所开发研制了m s c a d 1 4 】。就国内外对机械密封的机理和性能预 测研究的现状来看，目前开发的机械密封c a d 软件仅是某一类密封的数据库 1 2 o ( 4 ) 理论计算 1 ) 关于气膜流态及保证气膜稳定性的自调机构的研究 密封端面间的气膜，在推导各种方程时都假设为层流，但在高速时流动 状态可能发生变化，可以是过渡状态的流动或超音速流等。有文献报道，窄 间隙亚音速层流时密封面的稳定性最好，大间隙时会不稳定，易引起由层流 向紊流流动的转变，且在出口产生音速的流动，从而产生振动，使密封面遭 到破坏瞄。 最理想的气膜状态要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。 2 ) 关于工作状态及稳定性的研究 由于轴承的稳定性要求与机械密封一致，所以基本上以轴承稳定性研究 得到的结论作为设计气体干气密封的依据。对工作状态的研究主要有以下几 4 西华大学硕士学位论文 个方面：偏心对密封性能的影响；密封面倾斜的影响：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，主要采取提高安装精度、 采用自对中原理和设计来设计密封的措施口1 。 3 ) 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、使气体温度从正升到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 。 1 2 2 干气密封存在的问题 ( 1 ) 基础研究工作薄弱 国内在密封的理论研究方面较薄弱，仅在有些大学( 如石油大学、北京 化工大学、华东理工大学等) 和少数研究所( 合肥通用机械研究所等) 开展 了研究课题，进行专题研究。而国外密封产品制造企业则是拨出专项资金、 设立研究所或以与大学长年合作的方式，开展基础研究工作。另外，我国相 关技术人员参加国际上的关于密封的学术会议人员少、论文少、申报专利数 量少，超前开发意识薄弱。 ( 2 ) 密封用材性能较差 随着对外商务接触及技术交流，国内不少企业直接或间接将产品送到国 外的一些密封公司进行材料检测，包括了硬质合金、石墨、碳化硅、氧化铝、 锥形密封用热压铸钢等。从检测报告看，普遍存在性能不稳定，与国外差距 大，品种规格少。对高参数工况或介质具有强腐蚀性、含有磨料颗粒等情况， 传统材料不能完全满足要求n 引。 ( 3 ) 产品结构陈旧、加工水平落后 我国许多密封结构仍沿用国外上世纪5 0 年代的结构，不能适应多方面的 西华大学硕士学位论文 需求，应在这方面加快发展。目前制约我国密封产品发展的“瓶颈 在于生 产条件和工艺水平的落后，而沟槽的加工则是另一技术关键。激光加工已被 大多数研究人员认可，但如何降低其加工成本，形成通用的高精度自动加工 系统是急需解决的问题。 ( 4 ) 高参数密封可靠性较差 据不完全统计，在炼油企业中( 多为高温或高压密封) ，导致叶片泵非计 划维修的主要原因是密封设备的失效。在化工企业，密封设备的平均装机寿 命大约也只有5 5 个月；而在连续生产的装置上，一般都要求密封设备能保 证1 年以上的寿命。但实际只有不到2 0 的产品可以满足这一要求n2 | 。显然这 类密封产品的可靠性问题应引起高度重视。 1 2 3 干气密封发展趋势及进一步研究方向1 干气密封技术虽然己经被广泛应用且应用范围逐渐扩大，但对干气密封 理论的研究、认识和应用还有待于进一步的加深。 ( 1 ) 干气密封总体设计方面 以往的干气密封研究仅在摩擦、材料等方面进行，至今没有得出令人满 意的结论。目前已在端面微观形貌( 粗糙度、波度、变形等) 、相变、空化等 方向开展了一些研究，但是很少从流体力学角度入手。考虑耦合传热、变形 等因素，对气体膜内流动进行分析，建立比较实用的干气密封设计模型，提 出相关的理论和相应的改型措施是当前需要深入进行的重要方面。现代设计 和机理的研究相辅相成。把几何模型的建立和压力、温度变形的耦合计算作 为对象处理，开发出图形交互式的计算分析系统，并同时与实验数据对比修 正，以优化设计参数，最终形成一套完整的设计软件系统意义深远。这方面 需要大量的数值模拟以及实验数据的搜集统计工作，需要更多的人员和经费 投入并完善现有c a d 软件功能。由于密封失效存在的原因很多，它和设计、 操作以及使用条件的关系尚不清晰，可建立故障诊断和分析系统来进行研究 1 2 1 o 密封的压力、温度会对密封性能产生直接的影响，造成密封泄漏，特别 是我国石油化工工业运转周期将延长，迫切需求开展这方面的研究，以便测 量和记录现场实际工作条件，并由此确定对密封性能的影响。且随着旋转设 6 西华大学硕士学位论文 备向高参数发展以及环保对密封提出更高的要求，迫切要求密封系统有自动 监测和调控功能，且随着微电子学、测控技术的发展及其在密封领域的应用， 密封技术的监控技术将会在石化等工业领域中得到应用。但是引起密封失效 的因素很多，究竞选择哪种参数作为反馈信号才能够及时准确，也是当今研 究的热点。 新材料的研制开发。随着机械密封使用要求的提高，也促使其用材进一步 发展，如对有自润滑性硬质合金、高性能工程陶瓷、高性能密封圈材料以及 混入纳米粒子的s i c c c 等新材料的研究与应用。利用喷涂技术和新工艺 来修复硬面和制造硬面环也有很多尝试。随着纳米科学与技术的发展而派生 出来的纳米摩擦学的发展，有很多学者分析了介质润滑性对摩擦系数和磨损 的影响，从微观上解释了摩擦磨损机理，设计与制备出纳米尺度上的润滑及 减摩耐磨材料，是9 0 年代以来摩擦学研究领域最活跃，也是材料学与摩擦学 科交叉领域最前沿的内容。为了改善材料的润滑条件，还有很多学者作了纳 米粒子做润滑油添 i i i i 的研究和展望。 ( 2 ) 理论计算方面 通过对各种干气密封结构进行有限元理论分析，从分析结果对比可知， 有限元法更为准确、更接近于实际。但从目前国内的研究结果看，一些理论 还不太成熟，方法还不太统一，有待于进一步完善。 由于干气密封不可能达到零泄漏，所以密封布置方式的选择要更为具体 和合理。如何采取有效的措施减小泄漏量是干气密封的一个研究方向。 液体污染物进入密封槽后，经逐渐积累会造成气膜承载力的下降，有发 生端面接触的危险。如何清除和防止槽中液体杂质污染需进一步研究。 密封材质的选择决定了干气密封的运行状况及使用寿命，因此要通过对 比研究与不断的实践，从而得出一些好的经验和结论。 影响干气密封运转性能的因素很多，一般分为密封操作参数和密封槽型 几何参数。密封面结构参数对密封的稳定性及可靠性有很大的影响，密封面 的结构优化问题应成为研究的重点。另外，一些过去涉及较少的方面比如端 面平衡间隙、低速运转情况下的密封等也将成为研究的热点。 西华大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 目前国内与国外相比，对气体密封的研究还存在着很大的差距，所以国 内应用于工业上的密封还主要来自国外进口。而且，现在的文献资料主要都 是对螺旋槽气体密封的研究和应用，还没有对t 型槽干气密封的理论进行专 门的研究。 本文紧密联系工程应用，对t 型槽干气密封性能作深入的研究，讨论密 封参数( 槽型几何参数和操作参数) 对密封性能的影响，以期得到一些普遍性 的规律，为气体端面密封的设计和工业应用提供依据，并为后续的密封参数 优化、动态分析、力变形和热变形等研究工作打下坚实基础。本文主要研究 内容如下： ( 1 ) 结合国内外相关资料总结了干气密封的研究现状、存在的问题，指 出干气密封今后的发展趋势和研究方向。介绍干气密封的密封机理和工作原 理。 ( 2 ) 根据可压缩完全气体雷诺方程，建立等温条件下的t 型槽干气密封 控制方程，再经转化建立无量纲控制方程。建立气膜压力、气膜厚度、泄漏 量等主要参数的计算公式。提出使用数值计算法来求解控制方程的思路，分 析有限元方法较差分法及体积法的优点。 ( 3 ) 从计算流体力学的角度出发，用s o l i d w o r k s 软件建立了符合实际物 理意义的t 型槽干气密封的三维几何模型，并用g a m b i t 软件对从整体模型中 切割下来的计算区域划分网格。采用计算流体力学软件f l u e n t 对气体端面密 封的模型流场进行模拟仿真。利用目前研究较成熟的螺旋槽干气密封有限元 分析结果，验证了使用f l u e n t 软件的可行性，然后模拟仿真并分析t 型槽干 气密封的三维压力场分布规律。 ( 4 ) 提出一种t 型槽干气密封端面平衡间隙的计算方法：通过采用数值 模拟的方法对端面开启力进行计算，结合闭合力的计算数值，确定出干气密 封的端面平衡间隙，为密封运行状态的判断提供依据。 ( 5 ) 在大量的数值模拟基础上，分析t 型槽干气密封的操作参数( 转数、 压力等) 和端面槽形几何参数( 槽数、槽深、槽宽、密封坝长比、平衡间隙 等) 对端面间隙气膜厚度、泄漏量、气膜刚度等的影响。 西华大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章主要介绍了干气密封的国内外研究现状、存在的主要问题以及今后 的发展趋势。介绍了本文的主要研究内容。 9 西华大学硕士学位论文 2 干气密封基本知识 2 1 密封机理 密封的作用就是将接合面间的间隙封住、隔离或切断泄漏通道，增加泄 漏通道中的阻力，或者在通道中加设小型作功元件，对泄漏物质造成压力， 与引起泄漏的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄漏n7 j 。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。保证结合部分的密闭性、工作 可靠、使用寿命长是对密封的基本要求，而密封装置方面则要求密封结构紧 凑、系统简单、制造维修使用方便、成本低。 造成密封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、渗透和扩散畸3 。 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 卸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。 通过尺寸宽曰，高h ，长，的缝隙，平行平面缝隙内单位周边的液体泄漏 量为： q = w a p h 3 g l ( 2 1 ) 式中甲= o 1 0 2 无因次形状系数： 毓体动力粘度。 紊流时单位宽度体积泄漏量为： q - - q b = 甲，h ( a p p ) 0 5 ( 2 2 ) 式中p 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，的毛细管或接触面毛细通道的流体重量泄漏量为： g = 8 z a p ( m 2 z r t ) o 5 ，3 l ( 2 - 3 ) 1 0 西华大学硕士学位论文 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 = 甲，g q ，1 ( 2 4 ) 式中甲渗透系数； g v 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 = k 甲，a c b r ：( 墨，) ( 2 5 ) 式中鳅与表面粗糙度足几何相等的接触区的高度； 冠，空隙率。 2 2 接触式密封的不足1 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： ( 1 ) 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、磨损以及使用寿命短 由于密封摩擦副之间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， 西华大学硕士学位论文 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 寿命只有几个月甚至几天。 ( 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 运行的可靠性直接影响着密封工作的稳定性和可靠性。 1 2 西华大学硕士学位论文 ( 9 ) 使用范围窄 接触式机械密封的使用范围受到限制，不适用于高压、高速、高p v 值工 况下旋转机械类轴封，对于密封高危险性、高含固体颗粒的工艺流体，其密 封的可靠性等方面也不尽人意。 2 3 干气密封的概念及基本结构 干气密封是流体的动、静压结合的非接触式机械密封与气体阻塞密封的 有机结合。其基本密封构成与普通机械密封类似。核心构件仍为动、静环两 个元件，不同的是：动、静环密封端面较宽，在动环或静环的一个端面上加 工有均匀分布的浅槽( 一般为动环) ，图2 - 1 所示为t 型槽干气密封动环端面 构成示意图。 t 型浅槽 密封堰 f i g 2 - 1r o t o r ef o r m 图2 1 动环端面结构 、一 岁! ”| 麓 廖? ； ! i ! 囊i；舅 汐、薹 豳蕊稽t 墼橹 f 远2 2g r o o v et y p eo fr o t o rf a c e 图2 2 干气密封动环端面槽形 非接触式气体端面密封的密封端面可加工成各种槽型，如图2 2 所示。 主要有螺旋槽型、圆弧槽型、t 形槽型和直线槽型等。 机械密封中，干气密封属非接触式机械密封，其特点在于动环端面刻有 均匀分布的浅槽。 图2 - 3 所示为典型机械密封结构示意图。构成机械密封的基本元件有： 西华大学硕士学位论文 端面密封副( 静环1 和动环2 ) 、弹性元件( 如弹簧4 ) 、辅助密封( 如o 形圈8 和9 ) 、传动件( 如传动销3 和传动螺钉7 ) 、防转件( 如防转销1 0 ) 和紧固件( 如 弹簧座5 、推环1 2 、压盖l l 、紧定螺钉6 与轴套1 3 ) 等。n 8 3 f i g 2 - 3t y p i c a lm e c h a n i c a ls e a ls c h e m a t i cd r a w i n g 图2 3 典型机械密封机构示意图 机械密封基本元件的作用和要求如下： 1 ) 端面密封副( 静、动环) 。端面密封副的作用是使密封面紧密贴合，防 止介质泄漏。它要求静、动环具有良好的耐磨性，动环可以轴向灵活地移动， 自动补偿密封面磨损，使之与静环良好地贴合；静环具有浮动性，起缓冲作 用。为此密封面要求有良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。 2 ) 弹性元件( 弹簧、波纹管、隔膜) 。它主要起预紧、补偿和缓冲的作用， 要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的磨擦和动环的惯性，保 证端面密封副良好地贴合和动环的追随性，材料要求耐腐蚀、耐疲劳。 3 ) 辅助密封( 0 形圈、v 形圈、u 形圈、楔形圈和异形圈) 。它主要起静 环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件， 能保证静环与压盖之间的密封性和静环有一定的浮动性，动环的密封元件能 保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。材料要求耐热、耐寒并 1 4 西华大学硕士学位论文 能与介质相容。 4 ) 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键、传动突耳或牙嵌式联结 器) 。它起到将轴的转矩传给动环的作用。材料要求耐磨、耐腐蚀。 5 ) 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套) 。它起到动、静环 的定位、紧固作用。要求轴向定位正确，保证一定的弹簧压缩量，使密封副 的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合。同时要求拆装方便、容易就位、 能重复利用。与辅助密封配合处，安装密封圈要有导向倒角和压弹量，应特 别注意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐腐蚀和耐磨损，有必要时与轴套 配合处可采用硬面覆层。 6 ) 防转件( 防转销) 。它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够的 长度，防止静环在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材 料上要求耐腐蚀，在必要时中间可加四氟乙烯套，以免损坏碳石墨环。 如图2 3 所示密封的可能泄漏途径如下： 1 ) 密封副密封面i 处泄漏。这是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨 损和密封性能的关键，是研究的重点对象。据统计，机械密封的泄漏大约有 8 0 - 9 5 是由于密封端面密封副造成的。因此，要求接触面保持平行，表面粗 糙度要求高，尺。= 0 0 5 0 2 9 i n 、平面度小于0 9 9 m 。对于不同介质，要求 用合适的密封副材料组合，注意耐磨损、耐腐蚀，选用合适的几何参数( 面积 比和宽径比等) 和性能参数( 比压、弹簧载荷等) 。 2 ) 静环与压盖的辅助密封i i 处泄漏和动环与轴( 或轴套) 的辅助密封i i i 处泄漏。这是辅助密封面，是决定机械密封性能和动环追随性的关键，特别 是动环与轴( 或轴套) 密封面，首先要防止因锈蚀、水垢、结焦或化学反应物 料堆积而造成动环不能转动。 3 ) 压盖与密封箱体之间静密封i v 、轴套与轴静密封v 和动环镶嵌结构配 合v i 处泄漏。这三处均为静密封。均应根据密封介质选用相容材料的密封垫 或恰当的配合。 2 4 干气密封的工作原理 干气密封最大的特点，是在动环或静环的端面上加工出均匀分布的浅槽。 当密封旋转时，被密封气体周向吸入槽内，径向分量由外径向中心流动，而 1 5 西华大学硕士学位论文 密封坝限制气体流向低压侧，气体随着槽截面形状的变化被压缩，在槽根部 产生局部高压区，将动、静密封环打开形成很薄的气膜，该气膜有一定的刚 度，由气膜产生的开启力与弹簧和介质形成的端面闭合力达到平衡，于是使 密封工作在一个非接触的稳定状态。此时密封端面间存在一个很小的间隙， 此间隙一方面保证泄漏量不至超标，另一方面使动、静环端面实现非接触运 转。当产生导致密封间隙减小的扰动时，则开启力大于闭合力，密封间隙有 增大的趋势，直到恢复平衡为止，如图2 - 4 ( 2 ) 所示。同样地，如果扰动使间 隙增加，则开启力小于闭合力，迫使两密封面相互靠拢，重新恢复平衡，如 图2 - 4 ( 3 ) 所示。 细窘力 气膜压力分布 ( 1 正鬻情况，开启力等手闭台力。 ( 2 ) 闻隙变小，开窟力夫子闭台力 ( 3 ) 闻隙变大，开赢力小予闭合力 f i g 2 - 4p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na