在一些高參數(shù)工況下，傳統(tǒng)的接觸式機械密封往往會出現(xiàn)磨損嚴重、壽命較短的現(xiàn)象，難以承擔設備長周期運行的重任。開展非接觸式機械密封特別是雙向旋轉式非接觸機械密封的研究，有利于這一問題的解決。本文通過對幾種典型雙向旋轉式非接觸密封的國內外研究現(xiàn)狀綜述，以及相關槽型特性的對比分析，獲得了不同工況條件下工作的雙向旋轉式非接觸密封端面槽型結構的選擇原則: 高壓、高溫、大尺寸場合宜選用圓弧槽，低速場合宜選用樹形槽，磨削粒子細小的場合宜選用多孔端面，非高溫場合均可考慮選用T 型槽。指出完善理論模型、強化回流效應、提高開啟穩(wěn)定性及提升T 型槽穩(wěn)態(tài)運行溫度區(qū)間為雙向旋轉式非接觸機械密封技術的發(fā)展方向。

1、引言

　　非接觸式機械密封指由于流體靜壓或動壓作用，在密封端面間充滿一層完整的流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的機械密封。這種密封在解決高壓或易汽化介質環(huán)境中普通接觸式機械密封面臨的密封端面得不到良好潤滑，常出現(xiàn)嚴重的摩擦磨損或熱裂問題上發(fā)揮了積極作用。

　　根據(jù)旋轉方向，非接觸式機械密封可分為單向旋轉式和雙向旋轉式。槽型結構的非對稱性，使得單向旋轉式非接觸式機械密封只能在正轉時工作，而在反向運轉時不能建立起隔離動靜環(huán)硬性固相接觸的動壓。這種狀況，使得人們更加關注雙向旋轉式非接觸機械密封的研究。

　　目前，雙向旋轉式非接觸機械密封主要有：T型槽機械密封，圓弧槽機械密封，多孔端面機械密封等。由于槽型的作用，這3類非接觸式機械密封均具有一定的動壓效應和正反轉工作能力。本文旨在通過對主要雙向旋轉式非接觸機械密封發(fā)展概況的回顧與分析，闡明幾種典型槽型機械密封的結構特點及性能，揭示其密封機理與動壓形成機制，為進一步深化非接觸式機械密封的研究，拓展其應用范圍和參數(shù)水平提供依據(jù)。

2、T型槽機械密封

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3、圓弧槽機械密封

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4、多孔端面機械密封

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5、其他雙向旋轉槽型

　　圖4 示出了幾種常用雙向旋轉模型。

圖4 其他常用雙向旋轉槽型

　　目前德國Burgman 公司生產制造的V 型槽最具代表性，產品型號有Cartex-GSD，CGS，GSO-D，HRC-SD，MFL85GS，MTEX-GSD等，其生產制造的V 型槽可在串聯(lián)集裝式、單端面、雙端面、單端面波紋管及金屬波紋管多種結構特征形式下使用，壓力范圍為1.0～2.5MPa，溫度范圍為-40～300℃，速度范圍一般在15～25m/s，適用于毒性、污染性等危險性介質等密封場合，如圖4(a)。圖4(b)所示交叉螺旋槽采用雙向兩螺旋槽型的疊加模式，充分利用了螺旋槽的尖端增壓作用，既能實現(xiàn)較好的動壓效應，又能正反轉。但由于加工槽型工藝較復雜，成本較高，應用場合較少。圖4(c)所示梯形槽雖然密封性能不如螺旋槽，但由于其加工工藝簡單，在一些要求不高的場合也經常使用。圖4(d)所示對稱螺旋槽型的特點是：將每個周期段中的單向槽變?yōu)殡p向槽，由兩個螺旋槽反向連接構成。1998年，王玉明對此種槽型密封分別申請了發(fā)明專利及應用新型專利。數(shù)值計算也表明對稱螺旋槽型機械密封在不同工況下具有良好的動壓效果和密封效果。圖4(e)所示的L 型槽干氣密封是日本華爾卡公司研制的新型槽型，國內只有從國外進口的L 型槽干氣密封，而且應用的不多。通過計算軟件及實驗研究，對比L 型槽與T 型槽密封，結果表明T 型槽略優(yōu)于L型槽，階梯L 型槽較優(yōu)于等深L 型槽。

　　1996年，Müller巧妙地提出了“流體回流式”流體潤滑機械密封，如圖4(f)所示。它具有對稱的槽型結構，可雙向旋轉。密封環(huán)中間的系列水平槽，長短不同、深淺不同，它們能夠將泄漏流體的大部分又泵送回高壓密封側，具有結構簡單、泄漏量少、壽命長的優(yōu)良特性。對此類槽型國內也已成功申請了發(fā)明專利和實用新型專利。這種機械密封國外已形成系列產品，但公開報道的相關研究成果很少。另外一種類似的結構，如圖4(g)所示。它由矩形槽和居于密封面中部的圓弧槽構成。對此類槽型國內宋鵬云、常靜華已成功申請了“雙向自上游泵送機械密封環(huán)”發(fā)明專利和實用新型專利。

　　John Crane公司先后設計出50多種不同形狀槽型的機械密封，結果發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)雙向旋轉槽型線限制了氣膜所產生的負載能力，使得端面間隙太小，溫度也高，系統(tǒng)的壓力波動或轉子擾動很容易造成密封端面接觸。在將各種槽型的最佳特點優(yōu)化組合后，研制出雙向旋轉樹型槽端面結構的干氣密封(F-DGS)。樹型槽的突出特點是將每個區(qū)段中的單槽變成為雙槽，增加了增壓區(qū)的數(shù)量，充分利用了螺旋槽的尖端增壓作用。結構如圖4(h)所示。國內自1996起也陸續(xù)對樹型槽雙向干氣密封進行了大量研究，同時還申請了相關專利。馬媛媛、彭旭東等對雙向旋轉樹型槽密封端面氣膜動壓特性進行了研究，結果表明，雙向旋轉樹型槽干氣密封不僅能夠實現(xiàn)雙向旋轉，而且具有較好的動壓效應，同時討論了操作參數(shù)等對雙向旋轉樹型槽密封性能的影響。但由于樹型槽端面密封結構比較復雜，關于其密封特性及其端面幾何結構特征參數(shù)的系統(tǒng)研究，國內外尚未見到有關公開報道。

6、結語

　　具有溝槽對稱布置的非接觸式機械密封在具有良好密封性能的同時兼具雙向旋轉性，避免了由于反向旋轉造成的密封失效問題，具有廣闊的應用前景。根據(jù)不同的工況條件可進行具體槽型結構選擇：高壓、高溫、大尺寸場合可選用圓弧槽型機械密封，且其具有較好的排污能力;低速場合下樹形槽具有良好的動壓開啟效果，氣膜壓力分布均勻;磨削粒子細小的密封場合可選用多孔端面機械密封，其具有良好的捕捉磨損粒子及自潤滑性能;T 型槽加工工藝簡單，除高溫場合運行不穩(wěn)定性外，在各種工況條件下皆具有較好的動壓性能，開啟性能也較好。

　　針對雙向旋轉式非接觸密封的研究，筆者認為，今后的發(fā)展方向為：完善理論模型、強化回流效應、提高開啟穩(wěn)定性及提升T 型槽穩(wěn)態(tài)運行溫度區(qū)間。其中，可通過由單一變量參數(shù)向多變量參數(shù)發(fā)展完善理論模型;開啟穩(wěn)定性的研究不僅影響雙向旋轉槽型穩(wěn)定性，同時直接影響其使用壽命，可由幾何參數(shù)、工作參數(shù)與開啟轉速的關系入手進行分析研究，進而得出較低開啟轉速下的最優(yōu)參數(shù)，提高運行穩(wěn)定性。