干氣密封是一種新型的非接觸軸封,與其它密封相比,干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長、能耗低、操作簡單可靠、維修量低、被密封的流體不受油污染等特點(diǎn)。機(jī)械密封一直不能干運(yùn)轉(zhuǎn),但干氣密封利用流體動(dòng)壓效應(yīng),使旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)密封端面之間不接觸,而被密封介質(zhì)泄漏量很少,從而實(shí)現(xiàn)了既可以密封氣體又能進(jìn)行干運(yùn)轉(zhuǎn)操作。在壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,無論離心壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、齒輪傳動(dòng)壓縮機(jī)還是透平膨脹機(jī),干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤滑機(jī)械密封。在泵和反應(yīng)釜上干氣密封應(yīng)用也越來越廣泛。

1、干氣密封的基本工作原理

　　干氣密封與一般機(jī)械密封的平衡型集裝式結(jié)構(gòu)一樣,但端面設(shè)計(jì)有所不同,表面上有幾微米至十幾微米深的溝槽,端面寬度較寬。與一般潤滑機(jī)械密封不同,干氣密封在兩個(gè)密封面上產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的氣膜。這個(gè)氣膜具有較強(qiáng)的剛度使兩個(gè)密封端面完全分離,并保持一定的密封間隙,這個(gè)間隙不能太大,一般為幾微米。密封間隙太大,會(huì)導(dǎo)致泄漏量增加,密封效果較差;而密封間隙較小,容易使兩密封面發(fā)生接觸,因?yàn)楦蓺饷芊獾哪Σ翢岵荒芗皶r(shí)散失,端面接觸無潤滑,將很快引起密封變形、端面過度發(fā)熱從而導(dǎo)致密封失效。這個(gè)氣膜的存在,既有效地使端面分開又使相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩端面得到了冷卻,兩個(gè)端面非接觸,故摩擦、磨損大大減小,使密封具有長壽命的特點(diǎn),從而延長主機(jī)的壽命。

　　如圖1 所示,開槽的密封面,分為兩個(gè)功能區(qū),外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域,氣體進(jìn)入開槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進(jìn)入的氣體,在槽根部形成局部的高壓區(qū),使端面分開,并形成一定厚度的氣膜,為了獲得必要的泵送效應(yīng),動(dòng)壓槽必須開在高壓側(cè)。開槽的密封間隙內(nèi)的壓力增加對(duì)干氣密封的工作是至關(guān)重要的,它將保證即使在軸向載荷較大的情況下,密封也能形成一個(gè)不被破壞的穩(wěn)定氣膜。密封的內(nèi)區(qū)域(即壩區(qū)) 是平面的,靠它的節(jié)流作用而限制了泄量。密封工作時(shí)端面氣膜形成的開啟力與由彈簧和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡,從而實(shí)現(xiàn)了非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當(dāng)密封不受壓或不工作時(shí)能確保密封的閉合,防止意外發(fā)生。

圖1 　干氣密封端面結(jié)構(gòu)

　　由此看出,干氣密封的設(shè)計(jì),決定性的因素是密封環(huán)上開槽的幾何形狀和幾何尺寸,選擇合理、適用易于加工制造的槽形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

　　密封面開槽既可在動(dòng)環(huán)上也可以在靜環(huán)上,一般來說高速情況下,在動(dòng)環(huán)密封面上開槽;在低速或中速情況下可以在靜環(huán)上開槽。要注意由于密封間隙只有幾微米,因而一定要注意防止固體顆粒介質(zhì)進(jìn)入密封端面。

2、干氣密封流體力學(xué)計(jì)算

2.1、基本方程

　　納維—斯托方程和連續(xù)方程

2.2、方程的解法

　　采用有限差分法,先把計(jì)算域劃分為若干個(gè)有限控制體,用差商代替偏微分方程中的微商,得到代數(shù)方程,然后將代數(shù)方程在控制體上離散,得到代數(shù)方程組。編制計(jì)算程序解方程組可得到結(jié)果。

2.3、計(jì)算結(jié)果

　　壓力分布曲線圖如圖2 、圖3 所示。壓力分布曲面圖如圖4 、圖5 所示。

螺旋槽數(shù)12 ;螺旋角17°;間隙2.3μm;槽深7μm;開啟力20.1 kN ;泄漏量1.3 Nm³/h ;密封壓力降2.5 MPa

圖2 　壓力分布曲線圖

螺旋槽數(shù)18 ;螺旋角15°;間隙4.0μm;槽深7μm;開啟力3.23 kN ;泄漏量0.11 Nm³/ h ;密封壓力降0.35 MPa

圖3 　壓力分布曲線圖

旋槽數(shù)12 ;螺旋角17°;間隙2.3μm;槽深7μm;開啟力20.1 kN ;泄漏量1.3 Nm³/ h ;密封壓力降2.5 MPa

圖4 　壓力分布曲面圖

螺旋槽數(shù)18 ;螺旋角15°;間隙4.0μm;槽深7μm;開啟力3.23 kN ;泄漏量0.11 Nm³/ h ;密封壓力降0.35 MPa

圖5 　壓力分布曲面圖

3、結(jié)論

　　(1) 由圖2 至圖5 可以看出,氣體密封開設(shè)的微米級(jí)槽形產(chǎn)生了十分理想的增壓效果。圖2 、圖4 是半徑方向有一個(gè)開槽區(qū)的現(xiàn)象,圖3 、圖5 是半徑方向有二個(gè)開槽區(qū)的現(xiàn)象。從圖中可以看出開槽區(qū)根部壓力、壓強(qiáng)增加最明顯。在密封兩端壓力降為2.5MPa 的情況下,最大壓力值可達(dá)8MPa 。

　　(2) 從計(jì)算值來看,密封端面摩擦功耗很小,溫度測試表明端面溫升很小。

　　(3) 本文采用有限差分法對(duì)三維立體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,得到的結(jié)果是正確可靠的,計(jì)算出的密封氣膜厚度,密封泄漏量等參數(shù)與實(shí)際測試結(jié)果很接近。

　　(4) 通過試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn),和鎮(zhèn)海石化富氣壓縮機(jī)干氣密封工業(yè)運(yùn)行考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值基本吻合。