动压式机械密封技术及相关问题研究

动压式机械密封技术及相关问题研究

摘要：流体动压机械密封和流体静压机械密封都是非接触式机械密封。流体动压密封是利用流体动压效应产生流体动压承载能力，使密封面完全分开的密封，其理论基础仍然是雷诺方程。在流体动压密封中摩擦副表面的分离和承受挤压载荷是靠流体在摩擦力作

用下从间隙收敛部分压出产生作用力来实现的。收敛间隙是通过在密封面上开槽、开口或台阶来产生的。这些槽的轴向深度与密封面流体膜处在同一量级，为?%em量级。

关键词：动压式机械密封；收敛间隙；摩擦副表面；非接触式机械密封；干气密封；刚度；泄露量

1引言

动压型机械密封技术是当前国内外密封技术研究应用的热点。动压型机械密封可以胜任普通机械密封难以达到的高参数工况,同时在普通工况下应用这一技术将极大地延长密封寿命。

2流体动压式机械密封

在流体动压密封中，为了使端面摩擦副分开，利用了密封面的动能。图1为流体膜密封端面间隙、压力分布自动调整示意图，并不考虑具体的槽型结构。图1a表示了转速为零，间隙为h0的端面间流体膜压力分布，流体膜静压力与闭合力平衡，流体通过槽和间隙流动而，压力由p1降至p2。由于流体流经大间隙槽区的阻力很小，所以压力下降不多，大部分的压力降发生在未开槽的密封坝区。（a）转速为零，间隙为h0的端面膜压分布

（b）密封旋转时端面间膜压分布

图1密封端面间隙和压力分布的自动调整

当轴旋转时，流体被压送到槽的底部产生附加的流体动压力，如图1b所示，压力分布从平衡位置移开，此时作用在浮动环上的力不再平衡，实际上浮动环将对此做出响应，将间隙从h0增大到h，以恢复力平衡状态；此时如果停止旋转，动压效应消失，压力分布将从平衡压力处降低，这又将导致浮动环运动，将间隙从h减少到h0。当密封高速旋转时，由薄层流体膜将密封面分开，出现有限的泄漏，甚至无泄漏。

用来产生流体动压力的槽形有：平底台阶槽、圆叶槽、圆弧槽、t型槽、径向直线槽、斜直线槽和螺旋槽等，其中最常用的槽形为螺旋槽或其组合。流体动压力的产生，是依靠密封面间有相对运动时，槽的泵送效应和台阶效应。该类流体动压型机械密封可用于气相环境或液相环境，但其原理不尽相同，用在气相环境中即通常所说的干气密封，用在液相环境则为”上游泵送”机械密封。

2.1干气密封

干气密封是指依靠几微米的气体薄膜润滑的机械密封,也称为气膜润滑密封。常见的有螺旋槽、v形槽(或三角槽)和袋式槽干气密封结构,其槽深属微米级,其中螺旋槽最为常用。在动环和静环相对运动时,气体进入槽内,从外径到中心气体受到压缩,压力逐渐提高,在槽的根部形成局部高压区,气体压力产生的开启力足以平衡闭合力而使端面分离,并形成一定厚度的气膜，从而使密封工作在非接

触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏。为了获得必要的台阶动压和输送动压效应,动压槽必须开在高压侧。

2．2上游泵送机械密封

上游泵送机械密封是由一具有低流量、高压力”端面泵”把少量的隔离流体沿着密封端面输送到密封腔,该密封端面的”泵送”效应通过在端面开各种流体动压槽来实现,最常见的是螺旋槽。由于密封腔的流体压力比隔离流体的压力高,而隔离流体的流向是从低压的隔离流体腔流向高压的密封腔,故常被称为上游泵送,或称为逆流泵送，与干气密封不同的是,上游泵送的开槽区处于低压侧,槽与动压流体相通,未开槽的密封坝区靠近被密封的高压流体。

3流体动压式机械密封主要性能参数

3.1刚度

密封两密封端面间的流体膜阻止着间隙的变化，每单位膜厚变化引起的力的变化称为刚度，其单位为n/m。正的刚度能使密封抵制压力及其它机械扰动的变化，避免密封副的接触。流体膜的刚度可用来描述非接触密封保持工作稳定的特性。流体膜的刚度有切向刚度和轴向刚度在分析计算时，主要考虑流体膜轴向刚度对密封性能的影响。流体动压效应的刚度取决于动压槽的深度、长度和形状，也取决于密封环的回转速度和流体的粘度。

3.2泄漏量

对于非接触式密封，一般用泄漏量衡量其运行特性。影响泄漏的

因素很多，如速度、压力、温度以及流体的粘度和密封结构等。机械密封泄露的原因很多，一般而言是由于密封端面发生泄露，这是泄露的主要途径。另外，就是由于辅助密封元件的损坏或磨损、配合不好和o形环挤出等因素均会导致泄露。对于轴径d>50mm的，其泄漏量不应大于5ml/h，而轴径不大于50mm的，其泄漏量不应大于3ml/h。如果实际泄漏量超过了理论计算值的250倍，则认为该密封已经失效。

3.3摩擦功耗

动压式机械密封尽管是一种非接触密封，但旋转面与流体之间仍然存在着剪切应力，并且由于间隙小，切应力相对较大，所产生的摩擦功耗是不能忽略的。摩擦功耗是动压式机械密封装置运行时所消耗的总功的主要部分。摩擦功与流体的粘度，间隙以及转速有关。

3.4开启力

运行时使密封面相互分开的力称为开启力。它由介质压力和旋转时产生的流体动压力组成。

4结语

虽然流体动压机械密封出现了三十余年，产生了许多专利，然而从公开发表的文献来看，完整合理的理论分析极少，将理论分析与试验研究很好结合的还没有，这就制约着流体动压机械密封的进一步推广和应用。因此，加强对流体动压机械密封作用机理进行深入的理论分析和探讨是非常必要的和紧迫的。

从国内外密封技术的发展来看，利用流体动压效应的机械密封不

断发展，有必要利用流体动压效应来提高密封的承载能力，减小摩擦、磨损和漏损，提高密封可靠性以延长密封的寿命。

动压型机械密封的应用领域将更加扩大,更加注重新材料的应用以及新结构的开发。在开展动压型机械密封研究时,可通过利用国内现有工作基础、试验设备和条件,适当引进国外商用专业计算软件,进一步研究动压型机械密封的密封机理,开发密封件的cad系列软件、新型动压型机械密封设计方法和加工制造技术、密封的管理系统以及密封故障诊断专家系统等成套技术,从整体上提高我国密封技术的可靠性、安全性和耐久性。

参考文献：

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[2]中国化工装备总公司.机械密封技术标准汇编

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[3] 孙见君，顾伯勤.机械密封的发展历程和研究动向[j].润滑与密封，2004（4）：128～131

作者简介：马丽娟（1982-），宁夏银川人，2006年毕业于宁夏大学过程装备与控制工程专业，现在神华宁夏煤业集团煤化工分公司烯烃公司工作，主要从事采购方面的工作。