引言

　　隨著機械密封環(huán)境的變化,氣體潤滑軸承應(yīng)運而生。在20世紀(jì)60年代,美國John Crane公司率先開發(fā)研制了螺旋槽非接觸無泄漏機械密封, 70年代研制并應(yīng)用螺旋槽非接觸式氣體端面的密封。直到80年代采用在動環(huán)的端面使用螺旋槽型的結(jié)構(gòu),干氣體密封技術(shù)真正應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)機械密封設(shè)計沿循“兩個端面的接觸—運動摩擦—產(chǎn)生摩擦熱—導(dǎo)出熱量”的工作方式進行。

　　干氣密封設(shè)計從非接觸考慮,在動環(huán)或靜環(huán)的端面上加工出均勻分布的淺槽,其深度為3～10μm,旋轉(zhuǎn)時氣體在流體動壓和氣體分子的作用下由外緣向中心流動時,體積就會逐漸縮小,進入溝槽后即被引向中心并形成錐體氣流,產(chǎn)生局部高壓區(qū),將動靜密封環(huán)打開形成約2～3μm的氣膜,兩個配對的動靜環(huán)端面由原來的緊密接觸狀態(tài)變?yōu)榉墙佑|狀態(tài)。

　　工作原理如圖1所示。干氣密封相對于傳統(tǒng)機械密封不再需要復(fù)雜而龐大的潤滑油系統(tǒng),由幾何形槽相對運動造成的剪切流動而實現(xiàn)機械密封的非接觸和負(fù)泄漏。由于這種旋轉(zhuǎn)軸用動密封系統(tǒng)性能可靠,使用壽命長,功耗低,維護成本不高,能適應(yīng)高溫、高壓、高速以及各種強腐蝕性介質(zhì)等苛刻工況,因而廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、航空航天、國防軍工、核能發(fā)電等領(lǐng)域。

圖1　干氣密封工作原理圖

1、干氣密封的設(shè)計基準(zhǔn)

　　(1)密封端面要保持非接觸狀態(tài)。

　　(2)選定適用于高速回轉(zhuǎn)和干摩擦的材質(zhì)。

　　(3)動平衡應(yīng)保持不變。

　　(4)選用適用于氣體條件的密封系統(tǒng)、輔助裝置。

2、影響干氣密封性能的主要參數(shù)

2.1、密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.1、干氣密封動壓槽形狀

　　從流體動力學(xué)角度來講,在干氣密封端面開任何形狀的溝槽,都能產(chǎn)生動壓效應(yīng)。端面溝槽形狀技術(shù)已成為干氣密封的核心技術(shù)。目前,國際上如John Crane、Burgman、Flowserve 等著名的公司都有自己的專利形槽技術(shù),而且端面形槽已成為公司產(chǎn)品標(biāo)志的重要特征,如圖2所示。

圖2　各密封公司槽形圖示意圖

(a)(b) John Crane單向螺旋槽、雙向樅樹形槽(c) Flowserve雙向T形槽(d)鼎名單向槽(e) (f) Burgman單向V形槽、雙向U形槽(g)鼎名雙向槽

2.1.2、干氣密封動壓槽深度

　　干氣密封為保持非接觸狀態(tài),在設(shè)計中特別重要的一個數(shù)據(jù)是氣膜剛度,也就是浮力(即復(fù)原力)變化量和間隙變化量的比值,氣膜剛度越大, 干氣密封抗干擾能力越強,密封運行越穩(wěn)定可靠,干氣密封的設(shè)計就是以獲得最大的氣膜剛度為目的而進行的。從理論上講,氣膜剛度越大,間隙越不易發(fā)生變化,密封性能越會穩(wěn)定。氣體動力學(xué)研究表明,當(dāng)干氣密封兩端面間的間隙在2～3μm時,通過間隙的氣體流動層最為穩(wěn)定。在此厚度的氣膜下, 由氣作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用形成的閉合力達到平衡,于是密封實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)。理論研究表明,干氣密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時,密封的氣膜剛度最大。在實際應(yīng)用中,干氣密封的動壓槽深度一般設(shè)計在3～10μm,在其余參數(shù)確定的情況下,動壓槽深度有一最佳值。

2.1.3、干氣密封動壓槽數(shù)量、動壓槽寬度、動壓槽長度

　　要產(chǎn)生較大的浮力,溝槽部位的面積就必須要達到一定的要求,和相同尺寸的接觸式機械密封相比,干氣密封密封端面的面積更大。產(chǎn)生浮力的氣體應(yīng)具有黏性,在設(shè)計時,應(yīng)將黏性系數(shù)作為一個參數(shù),以流體力學(xué)方程式為基礎(chǔ),按照設(shè)計要求,通過計算來設(shè)計密封端面溝槽的數(shù)量、寬度及長度等,以確保能夠產(chǎn)生足夠的浮力。理論研究表明,干氣密封動壓槽數(shù)量趨于無限時,動壓效應(yīng)最強。不過,當(dāng)動壓槽達到一定數(shù)量后,再增加槽數(shù)時,對干氣密封性能影響已經(jīng)很小。

2.2、密封其它參數(shù)

2.2.1、密封環(huán)轉(zhuǎn)速對密封性能的影響

　　轉(zhuǎn)速越高,密封環(huán)線速度越大,不同的部件在高速回轉(zhuǎn)中,因離心力以及發(fā)熱等因素造成的膨脹不同。在回轉(zhuǎn)中,空軸套的內(nèi)徑比實心軸的外徑膨脹得更大,壓力以及離心力引起的變形可以通過調(diào)節(jié)端面形狀來控制;密封端面溫度比其他部位高,熱膨脹會導(dǎo)致密封環(huán)變形。因此在決定各部件的尺寸時,應(yīng)該將壓力、離心力、摩擦發(fā)熱等因素綜合起來進行計算,以確保密封端面間隙保持平行。

2.2.2、密封氣壓力對泄漏量的影響

　　干氣密封在靜止?fàn)顟B(tài)下只要施加壓力,密封端面處就會發(fā)生泄漏。因此,可燃性、腐蝕性、有毒的氣體存在時,大多采用串聯(lián)式密封或雙端面式密封。

2.2.3、密封氣污染對密封的影響

　　由于干氣密封只控制數(shù)微米的間隙,如果密封氣不夠潔凈、干燥,將會嚴(yán)重影響密封效果。因此干氣密封制造廠家對密封氣的質(zhì)量都有相當(dāng)嚴(yán)格的要求,一般都要求密封氣干燥, 并不含大于3μm的粉體、固體以及液體、煙霧等。因此如果被密封的氣體被污染,就必須將污染氣體抽出經(jīng)過濾器過濾后再送往密封,或從外部通過過濾器供給干凈的氣體。由于離心力的作用,大氣中的粉塵以及軸承漏出的油都會侵入到密封端面內(nèi),因此應(yīng)在大氣側(cè)設(shè)置輔助密封或使用凈化氣體。

2.2.4、溫度對密封的影響

　　干氣密封雖不如接觸式機械密封,但在高速、高壓條件下各部件也會發(fā)熱導(dǎo)致溫度上升。因此在密封處冷卻的基礎(chǔ)上,常常進行凈化氣體的冷卻以達到很好的密封效果。

2.2.5、密封材質(zhì)對密封的影響

　　干氣密封回轉(zhuǎn)部件在高速回轉(zhuǎn)時,為了確保一定的密封端面面積,外徑一般比較大。因此在選擇耐磨材質(zhì)時,既要考慮到高強度,還要考慮到不易變形,往往選用楊氏彈性率高、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)率高、質(zhì)量輕的材料。

　　另外,干氣密封雖是非接觸式密封,但在啟動和停止的過渡狀態(tài),密封端面并不是完全張開的,氣膜剛度較小,會發(fā)生瞬間的接觸,如果由接觸摩擦引起的發(fā)熱過大,熱變形會使密封端面很難保持平行,導(dǎo)致進一步的接觸和損傷。因此干摩擦狀態(tài)下的耐磨損性及低摩擦系數(shù)在選用材質(zhì)時要充分考慮到。目前,干氣密封硬質(zhì)材質(zhì)大多選用硬質(zhì)合金碳化鎢、碳化硅,以及新開發(fā)的延性金屬材料。

3、干氣密封設(shè)計的現(xiàn)狀及面臨的問題

　　(1)密封端面摩擦是決定密封性能的重要因素,也是長期以來研究的熱點。

　　(2)目前,偏心、密封面傾斜和密封面變形對密封性能影響的研究主要以試驗為主,尚未建立數(shù)學(xué)模型。

　　(3)目前已在端面微觀形貌(粗糙度、波度、變形等) 、相變、空化等方面開展了很多研究,但是很少從流體力學(xué)角度入手。考慮耦合傳熱、變形等因素,對氣體膜內(nèi)流動進行分析,建立比較實用的干氣密封設(shè)計模型,提出相關(guān)的理論和相應(yīng)的改型措施還需深入研究。

　　(4)密封廠家不僅需要對密封環(huán)、輔助用密封圈等密封要素進行改善,還需要對更有效的冷卻方式進行更新。

　　(5)耐高溫蒸汽密封材料以及輔助用密封圈的開發(fā)還需進行長期深入的研究。