干气密封基本原理及使用分析

压缩机干气密封基本原理及使用分析

一、引言

干气密封是一种新型的无接触轴封，由它来密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不受油污染等特点。因此，在压缩机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封。干气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实例所证实。

目前，干气密封主要用在离心式压缩机上，也还用在轴流式压缩机、齿轮传动压缩机和透平膨胀机上。干气密封已经成为压缩机正常运转和操作可靠的重要元件，随着压缩机技术的发展，干气密封正逐步取代浮环密封、迷宫密封和油润滑密封。

本文针对德国博格曼公司的干气密封产品进行了研究，结合压缩机的工作特点，重点论述压缩机干气密封的原理、结构特点、密封材料、使用要求和制造等方面的内容。

二、干气密封工作原理分析

干气密封的一般设计形式是集装式，图1表示出了压缩机干气密封的具体结构。

图1压缩机干气密封示意图

干气密封和普通平衡型机械密封相似，也由静环和动环组成，其中：静环由弹簧加载，并靠O型圈辅助密封。端面材料可采用碳化硅、氮化硅、硬质合金或石墨。

干气密封与液体普通平衡型机械密封的区别在于：干气密封动环端面开有气

体槽，气体槽深度仅有几微米，端面间必须有洁净的气体，以保证在两个端面之间形成一个稳定的气膜使密封端面完全分离。气膜厚度一般为几微米，这个稳定的气膜可以使密封端面间保持一定的密封间隙，间隙太大，密封效果变差；而间隙太小会使密封面发生接触，因干气密封的摩擦热不能散失，端面间无润滑接触将很快引起密封端面的变形，从而使密封失效。

气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压，从而实现气体介质的密封，几微米的密封间隙会使气体的泄漏率保持最小。

动环密封面分为两个功能区(外区域和内区域)。气体进入密封间隙的外区域有空气动压槽，这些槽压缩进来的气体。为了获得必要的泵效应，动压槽必须被开在高压侧。密封间隙内的压力增加将保证即使在轴向载荷较大的情况下也将形成一个不被破坏的稳定气膜。

干气密封无接触无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的，稳定的气膜是由密封墙的节流效应和所开动压槽的泵效应得到的。

密封面的内区域(密封墙)是平面，靠它的节流效应限制了泄漏量。干气密封的弹簧力很小，主要目的是为了当密封不受压时确保密封面的闭合。

选择干气密封时，决定性的判断是动环上所开动压槽的几何形状。对于压缩机的某些操作点，如启动和停车时，一套串联密封在低速或无压操作的情况下，旋转的动压槽必须在密封面之间产生一个合适的压力。此力靠特殊措施——三维的、弧形的槽来获得。

压缩机干气密封设计和使用为两种槽型：双向的(U形)和单向的(V形)槽型。两种槽型的特性见表1。

表1 V形槽和U形槽的特性

*注意：DGS在低于那些被采用的值以下操作仍能被保证，但是一个分离层是必要的。

三、密封材料分析

1.端面材料

干气密封的操作极限与密封各个元件的许用载荷有关。温度和压力极限由所用的辅助密封橡胶和端面材料决定。使用的端面材料对干气密封的工作起着决定

性的作用。

端面材料对压缩机密封的操作影响很大。端面材料组对的选择与压力、轴径和转速有关(见表2 )。

表2 端面材料

材料组对静环动环

硬/软高硬度浸锑石墨Buko03 碳化硅Buka25

硬/硬碳化硅表面喷涂金刚砂Buka251 碳化硅表面喷涂金刚砂Buka251

图2 压缩机干气密封的形式

图3V形槽U形槽

硬对软材料组对仅被用于低压范围。

博格曼干气密封的端面材料主要为碳化硅，碳化硅与其它材料相比在满足温度和压力的要求方面均显示出特殊的优势，又因密封间隙的几何形状受端面材料的压力和温度分布的影响，从表3材料的物理特性分析碳化硅做端面材料的优势最大。

表3 各种端面材料的物理特性

浸Sb石墨WC(Ni) SiC烧结 Si

3N

4

韧性材料

密度(kg/dm3) 2～2.5 14.5 3.1 3.26 7～9 E-模量(GPa) 20～40 600 420 350 200～220 导热系数(W/m*K) 7～12 80 100～125 30 5～25

变形最小。因此，在所有操作期间，确保了密封间隙的稳定。碳化硅优良的热传导性(导热系数为100～125W/m.K)保证必要的热量消散，因此密封端面的温度分布也是均匀的。

密封面采用硬对硬组对，为了在启动和停车时，增强偶然端面接触的自润滑性，博格曼干气密封在采用硬对硬材料组对时，碳化硅表面喷涂金刚砂-即DLC=diamond-like carbon。

2.辅助密封材料

辅助密封材料见表4。对于辅助密封最重要的特性是温度极限，挤压特性和压力相关的气吸现象。在气吸的环境，密封腔的压力突然下降将导致O型圈气体侧爆炸减压，因此引起橡胶圈的变形。为了消除气吸的损害，压力下降率应低于2MPa/min。

表4 辅助密封材料

注：*——博格曼代码

3.弹簧和其他结构件

弹簧和其他结构件通常用铬钢、不锈钢、Mo2Ti不锈钢、沉淀硬化不锈钢和哈氏C-4等。

四、基本结构与使用分析

1.单端面密封结构

如图4，此结构可作为一种无泄漏结构选择，此结构有一个可把泄漏引到一个适合的火炬或排气口接口。在这种情况下主要的泄漏与分离气一起被输送到火炬或排气口。

A—介质冲洗C—火炬D—分离气体

图4单端面密封结构

(如：BURGMANN DGS)

如果输送的气体介质含有杂质，介质必须被过滤后才能通过接口“A”输送到密封腔。这样，过滤的介质从密封腔流向叶轮侧，从而阻止杂质从叶轮侧进入密封。

2.串联密封结构

如图5，串联结构是一种操作可靠性较高的干气密封结构。作为油和气工业的标准结构，它是设计简单且仅需要一个相当简单的气体辅助系统。典型应用是介质气体少量泄漏到大气中是容许的工况。

A—介质冲洗C—火炬

D—分离气体S—排气口

图5 串联结构(如：BURGMANN DGS)

A—介质冲洗B—缓冲气体

C—火炬D—分离气体S—排气口

图6 带中间迷宫的串联结构

(如：BURGMANN DGS)