螺旋槽气膜浮环密封结构参数设计分析

流体机械 郝木明 中国石油大学(华东)

  介绍了螺旋槽气膜浮环密封的结构特点,利用CFD - FLUENT软件分析比较了普通浮环、无坝区螺旋槽浮环和有坝区螺旋槽浮环3种结构的密封性能,建立了螺旋槽几何结构参数变化对浮升力、泄漏量等影响的规律曲线。计算结果表明:有坝区螺旋槽浮环结构密封性能最好;螺旋槽结构参数对密封特性影响较大,综合考虑较小的泄漏量和较大的浮升力,取较小的螺旋角,槽数26~30,槽长7~9mm,槽深25μm左右,槽宽比0.5较适宜。

1、前言

  浮环密封是压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的传统型式。其优点是属于非接触式密封,寿命长,可靠性高,适用于高速和高压工况。但是,由于它是靠浮动的小间隙节流来限制泄漏,因此内泄漏量较大。

  为提高浮环密封的密封性能,国内外学者对各种型式浮环密封结构进行了相关方面的研究,包括内表面开设各种沟槽如长方形环形沟槽、长方形环形沟槽附加长方形台阶、正弦曲线环形沟槽[1] 、浅槽环瓣型浮环[2~4] ,以及未开槽的L 型环、锥形环、扇形浮环等[5]

  本文借助CFD-FLUENT软件,对螺旋槽浮环密封进行数值模拟,比较普通浮环、无坝区螺旋槽浮环、有坝区螺旋槽浮环3种结构的密封性能,得出了螺旋槽结构参数对密封特性的影响。

2、螺旋槽气膜浮环密封结构特点

  浮环密封通常采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的零泄漏,是一种液体(油)节流式非接触式密封,通过油楔作用使浮环克服自重与轴或轴套保持一定的间隙。而为丁二烯螺杆压缩机开发出的螺旋槽浮环密封采用“以气封气”的原理来实现对丁二烯气体的密封,以气体作为润滑剂,较油作为润滑剂可降低摩擦功耗,减少运行成本。应用在中石化广州石化乙烯厂螺杆压缩机的螺旋槽浮环结构如图1所示,通过在光滑浮环内表面上开螺旋槽,综合了浮环密封与螺旋密封各自的优点,将两种传统密封型式有效地“嫁接”在一起,其作用主要有:

  (1) 具有反向泵送作用(图示由左向右泵送) ,一方面可降低DMF的经排出孔的泄漏量,减少物质损失,另一方面可有效阻止高渗透性的DMF侵入机械密封内径侧,减缓丁二烯自聚的趋势(工业现场发现首先出现DMF的泄漏,然后产生封油的泄漏) ;

  (2)借助螺旋槽流体动压效应可提高碳石墨浮环的浮动性(或对中性) ,降低浮环与轴的摩擦磨损,相应延长浮环和轴的使用寿命;

  (3)可减少气相丁二烯经平衡管的内漏量,提高压缩机的效率;与此同时,可一定程度减少气相丁二烯经排出孔的泄漏量, 降低分离系统的负荷。

螺旋槽浮环结构示意

图1 螺旋槽浮环结构示意

4、结论

  (1)有坝区螺旋槽结构流体动压效应最强,具有良好的密封性能(泄漏量低、浮升力大等) ,普通浮环结构次之,无坝区螺旋槽结构最差,但密封介质为液体(水)时,无坝区结构密封性能将优于普通浮环;

  (2)螺旋槽各参数对浮环密封性能(泄漏量、浮升力)影响较大,在对螺旋槽结构进行设计时,综合考虑较小的泄漏量和较大的浮升力,取较小的螺旋角,槽数26~30,槽长7~9mm,槽深25μm左右,槽宽比0. 5较适宜;

  (3) 上述结论是在转速为6000 r /min,压差为0.02MPa的条件下得到的,在实际工作中,应根据实际的工况条件综合考虑螺旋角、槽数、槽长、槽深、槽宽等结构参数的影响,设计出性能优良的浮环密封结构;

  应该指出,本文的设计分析仅仅考虑每个因素的单独作用,是一种工程上近似的设计方法,忽略了各因素之间可能会关联起来,影响设计结果,从而不可避免的会产生一定的误差。

参考文献

  [1]  Baheti S K, Kirk R G. Finite element thermo - hydrodynamic analysis of a circumferentially grooved floating oil ring seal [J]. Tribology Transactions, 1995, 38(1) : 86296.
  [2]  王飞,刘向锋,刘莹. 浅槽环瓣型浮动环密封的参数优化[J]. 润滑与密封, 2006, (2) : 1052107.
  [3]  王飞,刘向锋,刘莹. 浅槽环瓣型浮动环密封的性能分析[J]. 润滑与密封, 2005, (6) : 74276.
  [4]  苏令,刘向锋,刘莹. 浅槽环瓣型浮动环密封的动态特性分析[J]. 润滑与密封, 2007, 32 (1).
  [5]  Shap iroW, Lee C, Jones H. Analysis and design of a gaslubricated, sectored, floating ring seal[J]. Transactions of the ASME, 1988, 110 (7) : 5252532.
  [6]  张贤晓,郝木明,项树光. 螺旋槽浮环密封性能分析[J]. 润滑与密封, 2009 (4).