不同型槽端面干气密封的性能对比

不同型槽端面干气密封的性能对比

摘要：采用有限单元法求解了层流、等温条件下干气密封端面膜压的控制方程——雷诺方程，对比分析了普通螺旋槽(S-DGS)、带内环槽的螺旋槽(AS—DGS)和雁形螺旋槽(GS-DGS)3种典型型槽干气密封的端面气膜压力分布以及开启力、泄漏量、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数的增量比。分析了密封端面几何参数对密封性能的影响，对密封结构优化没计具有一定指导意义。

关键词：干式气体；端面密封性能；型槽

1前言

干气密封是20世纪60年代末期在气体动压轴承的基础上通过对机械密封进行根本性改进发展起来的一种新非接触式密封，实际上主要就是通过在机械密封动环上增开了动压槽以及随之相应设置了辅助系统而实现密封端面的非接触运行。英国的约翰克兰公司于70年代末期率先将干气密封应用到海洋平台的气体输送设备上并获得成功。干气密封最初是为解决高速离心式压缩机轴端密封问题而出现的，由于密封非接触式运行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特别适合做为高速高压设备的轴端密封。气体端面密封的稳定性和可靠性与其动力学特性密切相关,其动力学特性一直是国内外研究的

热点和难点。型槽的型式不同其密封性能也有差异，本文对不同槽型端面干气密封性能进行了总结。

2正文

2.1干气密封原理

干气密封的工作原理以螺旋槽为例，可用下图来说明：阻塞气体（可以是经过滤后的压缩机出口气、氮气或惰性气体）注入到密封装置，动、静环在流体静压力和弹簧力的作用下保持贴合，起到密封的作用。当动环随轴一起旋转时，将阻塞气体周向吸入（泵吸作用）槽内，气体沿槽向槽根部运动，由于受到密封坝的阻碍，气体作减速流动并被逐渐压缩。在此过程中，气体的压力升高，即产生了流体动压力。当压力达到一定数值时，具有挠性支承的静环将从动环表面被推开，当流体压力与弹簧力及密封介质压力达到平衡后，这时密封端面之间始终保持一层极薄的气膜（厚度 1-3μm），所形成的气膜具有良好的弹性即气膜刚度，能有效地使端面分开，保持非接触；另一方面稳定的气膜又可以起润滑和冷却相对运转两密

封端面的作用。因此，非

接触式干气密封能有效地

把泄漏控制到最低的水平。

2.2干气密封的主要

参数

1.泄漏量

由于密封是非接触式

的，因而泄漏是不可避免

的。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、温度以及气体的粘度和密封结构等。实验表明，在动环表面开有螺旋槽的气体密封中，泄漏量是相当小的，泄漏量近似与间隙的三次方成正比。3)泄漏量的对比图表明，在不同的工况下，泄漏量的变化趋势略有不同。但密封效果都较好。考虑T型槽能实现正反转，当阻塞气体压力不高时，选用T型槽能达到更好的密封效果。

2.气膜刚度

螺旋槽干气密封两密封端面间的气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。气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，主要考虑气膜轴向刚度对密封性能的影响。

3.摩擦功耗

螺旋槽干气密封尽管是一种非接触式密封，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。摩擦功耗是干气密封装置运行时所消耗的总功的主要部分。摩擦功与气体的粘度、间隙以及转速有关。

4.开启力

螺旋槽干气密封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。

5.干式气体密封的密封特性受槽深比、螺旋角、槽长坝长比、槽台宽比和槽数等螺旋槽几何参数的影响，槽深比取2．0～2．5，螺旋角取15。，槽长坝长比取1．5～2．0，槽台宽比近似取1．0，槽数取l2～18，密封直径较小时槽数取少些时密封特性最佳。

2.3端面性能比较

2.3.1端面气膜压力对比研究

取相同条件p i=p o=0.101MPa转速n=2000r/min，计算3种槽型端面的气膜压力分布如上图示，假设DGS端面之间的液体为层流、等温或等粘度的理想气体，3种槽型S-DGS比较，

在相同的操作条件下AS-DGS 的动压效果较弱，而S-DGS 和GS-DGS 的端面动压大小相差不大，压力分布特点稍有不同。S-DGS 在槽根处会产生很大的压力峰值，随后沿径向下降很快，这样在高速条件下运行的稳定性就会较差；而GS-DGS 虽然在燕尾处也会产生很大的峰值压力，但是由于燕尾的存在，沿径向其压力分布是一条倾斜线，下降速度与S-DGS 相比较缓慢，因此其高速稳定性较好。

(1)与典型的S-DGS 相比，螺旋槽内

径处联接成环槽状，构成的AS-DGS 的密

封性较好而稳定性稍差，开启特性随速

度升高变差；AS-DGS 的综合工作性能只

是在低速低压条件下稍优于S-DGS ；

(2)与典型的S-DGS 相比，螺旋槽的

内径处联接成雁头形状，由此构成的新

型GS —DGS 具有明显优异的综合工作性

能，可以适用于更宽范围的操作条件，

并确保干气密封的启动性能、密封性和

稳定性。

2.3.2密封性能参数增量比的分析 在相同的几何条件和操作工况下，

通过对比密封性能参数增量比，可以很

直观地得出不同型槽端面密封性能的优

劣。

图3所示结果表明：两者的开启力n

的增量比随转速n 和外压P 。变化不大，

AS-DGS 表现稍差；AS —DGS 的刚度要比

S-DGS 小，泄漏量较S-DGS 更小，因此

AS ．DGS 的刚漏比较S-DGS 大，而且这种

变化趋势随转速的增加变得更明显。因

此，AS ．DGS 的综合工作性能只是在低速

图4不同型槽端面S-DGS 的端面气

膜压力分布低压条件下稍优于S-DGS 。定

义不同型槽的密封性能参数增量比为某种型槽的DGS 密封性能参数与S-DGS 密封参数之差与S-DGS 密封参数之比。计算对比研究3

种槽型密封性能之间的差异，总结其应用场合及适用

图3

图4