干气密封的工作原理及设计计算

　　干气密封是一种新型的非接触轴封,与其它密封相比,干气密封具有泄漏量少、磨损小、寿命长、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。机械密封一直不能干运转,但干气密封利用流体动压效应,使旋转的两个密封端面之间不接触,而被密封介质泄漏量很少,从而实现了既可以密封气体又能进行干运转操作。在压缩机应用领域,无论离心压缩机、轴流式压缩机、齿轮传动压缩机还是透平膨胀机,干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封。在泵和反应釜上干气密封应用也越来越广泛。

1、干气密封的基本工作原理

　　干气密封与一般机械密封的平衡型集装式结构一样,但端面设计有所不同,表面上有几微米至十几微米深的沟槽,端面宽度较宽。与一般润滑机械密封不同,干气密封在两个密封面上产生了一个稳定的气膜。这个气膜具有较强的刚度使两个密封端面完全分离,并保持一定的密封间隙,这个间隙不能太大,一般为几微米。密封间隙太大,会导致泄漏量增加,密封效果较差;而密封间隙较小,容易使两密封面发生接触,因为干气密封的摩擦热不能及时散失,端面接触无润滑,将很快引起密封变形、端面过度发热从而导致密封失效。这个气膜的存在,既有效地使端面分开又使相对运转的两端面得到了冷却,两个端面非接触,故摩擦、磨损大大减小,使密封具有长寿命的特点,从而延长主机的寿命。

　　如图1 所示,开槽的密封面,分为两个功能区,外区域和内区域,气体进入开槽的外区域这些槽将压缩进入的气体,在槽根部形成局部的高压区,使端面分开,并形成一定厚度的气膜,为了获得必要的泵送效应,动压槽必须开在高压侧。开槽的密封间隙内的压力增加对干气密封的工作是至关重要的,它将保证即使在轴向载荷较大的情况下,密封也能形成一个不被破坏的稳定气膜。密封的内区域(即坝区) 是平面的,靠它的节流作用而限制了泄量。密封工作时端面气膜形成的开启力与由弹簧和介质作用力形成的闭合力达到平衡,从而实现了非接触运转。干气密封的弹簧力是很小的。主要目的是当密封不受压或不工作时能确保密封的闭合,防止意外发生。

图1 　干气密封端面结构

　　由此看出,干气密封的设计,决定性的因素是密封环上开槽的几何形状和几何尺寸,选择合理、适用易于加工制造的槽形设计和结构设计是至关重要的。

　　密封面开槽既可在动环上也可以在静环上,一般来说高速情况下,在动环密封面上开槽;在低速或中速情况下可以在静环上开槽。要注意由于密封间隙只有几微米,因而一定要注意防止固体颗粒介质进入密封端面。

2、干气密封流体力学计算

2.1、基本方程

　　纳维—斯托方程和连续方程

2.2、方程的解法

　　采用有限差分法,先把计算域划分为若干个有限控制体,用差商代替偏微分方程中的微商,得到代数方程,然后将代数方程在控制体上离散,得到代数方程组。编制计算程序解方程组可得到结果。

2.3、计算结果

　　压力分布曲线图如图2 、图3 所示。压力分布曲面图如图4 、图5 所示。

螺旋槽数12 ;螺旋角17°;间隙2.3μm;槽深7μm;开启力20.1 kN ;泄漏量1.3 Nm³/h ;密封压力降2.5 MPa

图2 　压力分布曲线图

螺旋槽数18 ;螺旋角15°;间隙4.0μm;槽深7μm;开启力3.23 kN ;泄漏量0.11 Nm³/ h ;密封压力降0.35 MPa

图3 　压力分布曲线图

旋槽数12 ;螺旋角17°;间隙2.3μm;槽深7μm;开启力20.1 kN ;泄漏量1.3 Nm³/ h ;密封压力降2.5 MPa

图4 　压力分布曲面图

螺旋槽数18 ;螺旋角15°;间隙4.0μm;槽深7μm;开启力3.23 kN ;泄漏量0.11 Nm³/ h ;密封压力降0.35 MPa

图5 　压力分布曲面图

3、结论

　　(1) 由图2 至图5 可以看出,气体密封开设的微米级槽形产生了十分理想的增压效果。图2 、图4 是半径方向有一个开槽区的现象,图3 、图5 是半径方向有二个开槽区的现象。从图中可以看出开槽区根部压力、压强增加最明显。在密封两端压力降为2.5MPa 的情况下,最大压力值可达8MPa 。

　　(2) 从计算值来看,密封端面摩擦功耗很小,温度测试表明端面温升很小。

　　(3) 本文采用有限差分法对三维立体网格进行计算,得到的结果是正确可靠的,计算出的密封气膜厚度,密封泄漏量等参数与实际测试结果很接近。

　　(4) 通过试验台模拟试验,和镇海石化富气压缩机干气密封工业运行考核试验数据与计算值基本吻合。