密封原理

密封基本原理

干气密封基本原理2011-10-11

干气密封在气体动压轴承的基础上发展而来的。干气密封于1979年由JONH CRANE公司研制成功，JOHN CRANE借此成为干气密封技术之执牛耳者。时至今日，干气密封技术在离心式压缩机等高速流体机械上已获得了广泛应用，在泵和反应釜等低转速设备应用已经必然成为趋势。JOHN CRANE公司研制了泵用2800 和2800E 系列干运转气体润滑机械密封，占领了泵用密封的高端市场。

干气密封在结构上与普通机械密封相比，干气密封的旋转环与静止环密封端面较宽；在旋转环或静止环端面上加工出特殊形状的流体动压槽，如螺旋槽、圆弧槽、T形槽等，槽深一般在10-9m数量级。具有动压槽的环通常采用SiC为材料，不具动压槽的环采用C石墨作为材料。（图1-1、1-2）

以螺旋槽干气密封说明干气密封的运行原理。当旋转环高速旋转时，旋转环或静止环端面上的螺旋槽将外径处的高压气体向下泵入密封端面间，气体由外径向中心流动，而密封坝节制气体流向中心，于是气体被压缩引起压力升高，在槽根处形成高压区。端面气膜压力形成开启力，在密封稳定运转时，开启力与由作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡，密封保持非接触、无磨损运转。（图1-2、1-3）

如果出现某些扰动因素使密封间隙减小，此时由螺旋槽产生的气膜压力将增大，引起开启力增大，而闭合力不变，密封间隙将增大，直到恢复平衡为止；反之，如果出现某些扰动因素使密封间隙增大，此时由螺旋槽产生的气膜压力将减小，引起开启力减小，而闭合力不变，密封间隙将减小，密封将很快再次恢复平衡。干气密封的这种抵抗气膜间隙变化的能力称之为气膜刚度。（图1-4、1-5）

由于其优越的摩擦润滑性能，更长的工作周期和更短的MTBM，以及更高的可靠性和稳定性，干气密封作为一种性价比高的密封产品，可以预期在将来会得到更加广泛的应用。

干气密封的设计涉及诸多学科的内容。其中摩擦与润滑、流体力学、热力学、空气动力学、工程材料学、机械振动、控制理论是干气密封设计的需要涉及的核心内容。干气密封的几何参数（尺寸和槽型）和工况条件（密封压力、转速、气体温度和黏度）对其性能参数具有重要影响。（图2-1）

干气密封的性能参数涉及密封面压力分布、开启力、泄漏量、刚度、开启力/泄漏量比值、刚度/泄漏量比值等参数。对于这些参数的分析，可以通过求解气体润滑Reynolds方程获得，这是干气密封计算分析的基本方程。根据分析问题的不同，考虑气体滑移流动和端面的表面粗糙度，Reynolds方程可以得到不同的具体表达形式。（2-2）

图2和4是JONH CRANE 2800E干气密封的结构示意图。以此型号的干气密封为例，采用ANTISSA STUDIO设计的计算软件DGSTA获得其压力分布状况。以飨读者。（图3）图5是对图1干气密封原理的进一步生动的阐释。所有的3D图形都是由STUDIO ANTISSA的干气密封分析设计软件DGSTA分析和绘制。干气密封在稳定运行时端面压力分布如图5-1。

如果存在振动窜动等不稳定工况因素的干扰，密封端面彼此靠近，此时的压力分布如图5-2，可以看到则此时端面的压力升高，端面开启力〉弹簧和介质压力，端面在开启力作用下返回平衡位置。

如果密封端面彼此远离，此时的压力分布如图5-3，可以看到则此时端面的压力明显降低，端面开启力<弹簧和介质压力。端面在弹簧和介质压力作用下返回平衡位置。

普通的机械密封设计和分析方法，无法对干气密封的端面压力分布进行分析。对干气密封详尽的研究需要涉及到庞大的摩擦润滑理论等多学科交叉融合的理论，以及比较复杂的数值离散和数值计算方法。国内只有极少的的密封生产厂家具有相关的技术，而且技术水平相对欧美比较落后。干气密封技术被JOHN CRANE、FLOW SERVE BURGMAN 等少数几家国外公司垄断。如何打破这种技术垄断是值得我们国内密封生产设计厂家的管理者思考的。

干气密封工作原理及结构布置

干气密封基本原理

[摘要]详尽阐述了干气密封的工作原理, 端面结构。指出根据现场实际工况及环境保护法要求, 可分别采用的三种

典型布置, 以及干气密封在使用时的维护, 为用户在干气密封选择上提供指导。

[关键词]机械密封干气密封螺旋槽零泄漏零溢出

作为一种非接触式机械密封, 干气密封以其使用寿命长、无泄漏、节能、环保、运行维护费用低等一系列技术优势, 逐渐在石油、化工以及冶金等工业的大型离心式压缩机和转子泵上得到

广泛应用[1- 2 ]

。本文主要论述了干气密封, 特别是螺旋槽干气密

封的工作原理, 结构特征以及使用时的维护, 可为用户在干气密

封选择、使用及维护方面提供借鉴。

1、工作原理

干气密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触

式气膜密封。气膜密封动环或静环端面上通常开出微米级流槽,

主要依靠端面相对运转产生的流体动压效应在两端面间形成流

体动压力来平衡闭合力, 实现密封端面非接触运转。工程实际中使用较为广泛的流槽形式有雷列台阶式、斜平面式和螺旋槽面式, 其中尤以螺旋槽面式密封性能最佳。

螺旋槽干气密封工作原理如图1 所示。动环端面上开有螺

旋槽, 整个端面分为槽区、台区和坝区。槽区主要提供必需的流体动压力, 坝区主要阻挡气体向内侧流动以实现气体被压缩形

成动压效应, 增大气膜刚度, 还可在密封停车时起密封作用。干

气密封工作原理为: 当动环按图示逆时针方向旋转时, 由于粘性

作用气体以速度V 进入螺旋槽; 速度V 可分解为垂直于螺旋槽速度和与螺旋槽相切速度, 其中主要提供流体动压力, 而气流以

速度运动到坝区后被压缩体积减小压力升高使密封面打开, 从

而实现非接触运转。干气密封正常工作时, 端面间气膜一方面提供开启力来平衡闭合力, 另一方面可起润滑冷却作用, 因而省去

复杂的封油系统。图示干气密封为泵入式(气体从上游向下游流动)结构。

理想设计工况下, 密封端面气膜开启力等于闭合力(密封介

质压力和弹簧力)。若密封受到外界扰动端面间隙减小, 则流体

动压效应增强, 开启力大于闭合力, 密封增大间隙重新恢复原来

工作状态; 反之, 如果在外界干扰下间隙增大, 则流体动压效果

减弱, 开启力小于闭合力, 密封减小间隙并恢复到设计工作状

态。如果设计合理, 密封受到外界扰动可以自行恢复到原来工作状态, 可见螺旋槽干气密封对外界扰动不敏感。

2、典型端面

近年来, 国内外学者对螺旋槽干气密封端面结构形式作了

大量研究工作, 以期能从结构形式改变来改善密封性能, 其研究

主要集中于如图2 所示的螺旋槽及其组合结构形式[3- 4 ]

。

图2 中黑色部分为螺旋槽。图2a 为外径侧开槽泵入式结构,

当密封环逆时针旋转时, 外径侧高压阻塞气体被泵入到端面间

并形成一层稳定气膜从而使端面分离, 阻塞气体既可润滑密封

表面, 又可防止工艺气体向外径侧泄漏。

图2b 为内径侧开槽泵出式结构, 当端面顺时针旋转时, 端

面螺旋槽像一个个小容积泵一样, 可将内径低压流体泵送到外

径高压侧, 从而实现工艺流体零泄漏或零逸出。

图2c 与图2a 不同之处在于密封坝上设置均匀分布的节流

孔。节流孔可以将开槽环背面高压流体引入密封端面间, 利用高压流体在密封端面间形成的静压效应提高端面气膜承载能力并