干气密封-槽型设计对密封性能的影响的研究

槽型设计对密封性能的影响的研究

1绪论

1.1 引言

干气密封是一种用在离心式压缩机、轴流式压缩机、齿轮传动压缩机和透平膨胀机上的新型无接触轴封。干气密封的作用原理是通过在密封面上开一定形状的浅槽，密封运转时产生流体动压效应，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜，从而使密封工作在非接触状态下。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命一长，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，干气密封是今后气体密封发展的主要方向。目前，干气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实便所证实。

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。

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。

1.2 干气密封的优点及存在的问题

1.2.1与普通接触式机械密封相比，干气密封有以下主要优点：

(1)、省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。

(2)、人大减少了计划外维修费用和生产停车

(3),避免了工艺气体被油污染的可能性

(4)、密封气体泄漏量小。

(5)、大大减小了维修安装费用，经济实用性好

(6)、密封驱动功率消耗小。

(7)、密封寿命长，运行稳定可靠。

1.2.2干气密封存在的问题

(1)、基础研究工作薄弱

(2)、密封用材性能较差

(3)、产品结构陈旧、加工水平落后

(4)、高参数密封可靠性较差

1.3 干气密封的槽形结构

用于离心压缩机的干气密封，其结构和普通泵用机械密封基本相同，也有静环、动环、弹簧以及辅助密封圈和轴套组成。区别在于干气密封是在动环(硬环)面上刻有特殊作用的浅槽，旋转起来密封端面上产生流体动压，所以也称为动压槽。常见的几种浅槽形式如图2．2所示。主要有螺旋槽型、弧形槽型、形槽型和直线槽型等，在获得收敛型间隙的密封方法中，与其它槽型相比较，弧形槽密封具有更稳定的压力分布，是一种更灵活，更成熟的理论槽形。

（a）螺旋槽（b）直线槽

（c）圆弧槽（d）T型槽

常见的几种干气密封的槽形

1.4 干气密封的结构和基本原理

1.4.1 干气密封的结构

干气密封的结构与普通的机械端面密封相比有着相似的剖面外形，即动环、静环、弹簧、弹簧座、辅助密封圈及轴套等，所不同的是动、静环的密封面较宽，在动环的密封面上加工有特殊形状的螺旋槽，其典型结构如图所示。

动环密封面由动压螺旋槽、密封堰、密封坝等组成。如图2所示，一系列的螺旋槽均布在密封面上，每个槽的宽度自外向内逐渐缩小，深度一般为0.0025—0.01mm。动环被安装在旋转轴上随轴高速旋转，一般由硬度高、刚性好、变形小、且耐磨的钨、硅硬质合金制造。

l一动环：2、4-静环；图2动环密封面结构示意图

3、5一弹簧；6一转轴；7一组装套

图l典型干气密封结构示意图

1.4.2 密封机理

介质压力分布在静环的两面，作用于静环密封端面的介质压力及螺旋槽的动压效果联合组成开启力,作用于静环背面的介质静压力和弹簧力组成闭合力。密封系统正常运转时，作用于静环上的力是平衡的，即开启力等于闭合力

如图所示，此时的气膜间隙称为平衡间隙，保持一定值，一般为2～5 μm。由于密封面间被完整的流体膜所隔开，气体润滑机械密封的主要特点在于密封面不

相互接触，密封面间形成的稳定流体膜既起到对工作介质的密封作用又起到对摩擦副的润滑作用，摩擦状态为流体润滑状态，使得气体端面机械密封能够实现无磨损运转。在设计上，气体润滑密封类似于普通机械密封，显著不同的是密封面的尺寸和结构不同。为了使气体密封在静置状态和非接触运转状态都能以最小的泄漏实现密封，在密封面上加工一些浅槽将密封面的宽度分为沟槽区和密封区两部分。起密封作用、限制气体向低压侧泄漏的是未开槽的密封区，具有沟槽的结构区产生非接触运转时所必需的流体动压效应。

弹簧力+流体静压力气膜压力分布

(1)正常运转时，开启力等于闭合力

(2)间隙减小时，开启力大于闭合力

(3)间隙增大时，开启力小于闭合力

弧形槽气体密封的工作原理

气体密封是一种流体动、静压结合型密封，在密封旋转或静止时都存在流体静力,而流体动压力只在密封环旋转的情况下发生，此时密封面上所开的浅槽将所密封气体周向吸入，由高压侧朝向低压侧，而径向分量被密封坝所节制，于是气体被压缩引起压力升高，造成弹性安装面脱开，形成一定厚度的气膜。为了保持密封的非接触工况，密封面间隙内流体膜要求能承受住挤压载荷，即要具有一定的流体力学刚度。密封面的变形或在密封面上开槽、开口或开台阶等方式其目的就是在流体速度方向上形成收敛间隙，使得流体在流动方向上形成收敛膜层，产生流体动压效应，从而使流体膜层具有一定的承载能力。

闭合力与开启力相互协调，使气膜具有良好的弹性，形成稳定的非接触相

对运转。也就是说，密封间隙具有自限性。正常条件下, 作用在密封面上的闭合力(弹簧力和介质力) 等于开启力(气膜反力) , 密封工作在设计工作间隙。如果产生导致密封间隙减小的扰动，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，如图表示。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,如图表示。

这种阻止气膜间隙改变的自我恢复能力叫气膜刚度。由于螺旋槽气体端面密封具有很高的气膜刚度和追随性，能很好地保持密封系统的平衡状态，而使密封端面不被磨损，因此受到广泛关注。

1.5 干气密封进一步研究方向

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)、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，如对有自硬合金、高性能工程陶瓷、高性能密封圈材料以及混入纳米粒子的SiC—C—C等新材料的研究与应用，新材料的研制开发可以减小密封装置的磨损，延长密封装置的寿命。

(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，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。

1）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。

2）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。

3）干气密封系统的衡量指标不仅仅表现在泄露量，而且更进一步对易挥发物的逸出，提出了更高的要求。

4)进一步提高气膜刚度，使密封运行更稳定。气膜刚度的大小直接影响着密封端面对外界扰动的影响，及相应的调节能力。对密封系统工作的稳定性至关重要，并且气膜刚度提高的研究涉及因素较多，如端面槽形、弹簧比压、工作环境等都会对其造成影响。