双向旋转式非接触机械密封技术研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京林业大学 作者:王衍

  在一些高参数工况下,传统的接触式机械密封往往会出现磨损严重、寿命较短的现象,难以承担设备长周期运行的重任。开展非接触式机械密封特别是双向旋转式非接触机械密封的研究,有利于这一问题的解决。本文通过对几种典型双向旋转式非接触密封的国内外研究现状综述,以及相关槽型特性的对比分析,获得了不同工况条件下工作的双向旋转式非接触密封端面槽型结构的选择原则: 高压、高温、大尺寸场合宜选用圆弧槽,低速场合宜选用树形槽,磨削粒子细小的场合宜选用多孔端面,非高温场合均可考虑选用T 型槽。指出完善理论模型、强化回流效应、提高开启稳定性及提升T 型槽稳态运行温度区间为双向旋转式非接触机械密封技术的发展方向。

1、引言

  非接触式机械密封指由于流体静压或动压作用,在密封端面间充满一层完整的流体膜迫使密封端面彼此分离,而不存在硬性固相接触的机械密封。这种密封在解决高压或易汽化介质环境中普通接触式机械密封面临的密封端面得不到良好润滑,常出现严重的摩擦磨损或热裂问题上发挥了积极作用。

  根据旋转方向,非接触式机械密封可分为单向旋转式和双向旋转式。槽型结构的非对称性,使得单向旋转式非接触式机械密封只能在正转时工作,而在反向运转时不能建立起隔离动静环硬性固相接触的动压。这种状况,使得人们更加关注双向旋转式非接触机械密封的研究。

  目前,双向旋转式非接触机械密封主要有:T型槽机械密封圆弧槽机械密封多孔端面机械密封等。由于槽型的作用,这3类非接触式机械密封均具有一定的动压效应和正反转工作能力。本文旨在通过对主要双向旋转式非接触机械密封发展概况的回顾与分析,阐明几种典型槽型机械密封的结构特点及性能,揭示其密封机理与动压形成机制,为进一步深化非接触式机械密封的研究,拓展其应用范围和参数水平提供依据。

2、T型槽机械密封

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3、圆弧槽机械密封

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4、多孔端面机械密封

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5、其他双向旋转槽型

  图4 示出了几种常用双向旋转模型。

其他常用双向旋转槽型

图4 其他常用双向旋转槽型

  目前德国Burgman 公司生产制造的V 型槽最具代表性,产品型号有Cartex-GSD,CGS,GSO-D,HRC-SD,MFL85GS,MTEX-GSD等,其生产制造的V 型槽可在串联集装式、单端面、双端面、单端面波纹管及金属波纹管多种结构特征形式下使用,压力范围为1.0~2.5MPa,温度范围为-40~300℃,速度范围一般在15~25m/s,适用于毒性、污染性等危险性介质等密封场合,如图4(a)。图4(b)所示交叉螺旋槽采用双向两螺旋槽型的叠加模式,充分利用了螺旋槽的尖端增压作用,既能实现较好的动压效应,又能正反转。但由于加工槽型工艺较复杂,成本较高,应用场合较少。图4(c)所示梯形槽虽然密封性能不如螺旋槽,但由于其加工工艺简单,在一些要求不高的场合也经常使用。图4(d)所示对称螺旋槽型的特点是:将每个周期段中的单向槽变为双向槽,由两个螺旋槽反向连接构成。1998年,王玉明对此种槽型密封分别申请了发明专利及应用新型专利。数值计算也表明对称螺旋槽型机械密封在不同工况下具有良好的动压效果和密封效果。图4(e)所示的L 型槽干气密封是日本华尔卡公司研制的新型槽型,国内只有从国外进口的L 型槽干气密封,而且应用的不多。通过计算软件及实验研究,对比L 型槽与T 型槽密封,结果表明T 型槽略优于L型槽,阶梯L 型槽较优于等深L 型槽。

  1996年,Müller巧妙地提出了“流体回流式”流体润滑机械密封,如图4(f)所示。它具有对称的槽型结构,可双向旋转。密封环中间的系列水平槽,长短不同、深浅不同,它们能够将泄漏流体的大部分又泵送回高压密封侧,具有结构简单、泄漏量少、寿命长的优良特性。对此类槽型国内也已成功申请了发明专利和实用新型专利。这种机械密封国外已形成系列产品,但公开报道的相关研究成果很少。另外一种类似的结构,如图4(g)所示。它由矩形槽和居于密封面中部的圆弧槽构成。对此类槽型国内宋鹏云、常静华已成功申请了“双向自上游泵送机械密封环”发明专利和实用新型专利。

  John Crane公司先后设计出50多种不同形状槽型的机械密封,结果发现,大多数双向旋转槽型线限制了气膜所产生的负载能力,使得端面间隙太小,温度也高,系统的压力波动或转子扰动很容易造成密封端面接触。在将各种槽型的最佳特点优化组合后,研制出双向旋转树型槽端面结构的干气密封(F-DGS)。树型槽的突出特点是将每个区段中的单槽变成为双槽,增加了增压区的数量,充分利用了螺旋槽的尖端增压作用。结构如图4(h)所示。国内自1996起也陆续对树型槽双向干气密封进行了大量研究,同时还申请了相关专利。马媛媛、彭旭东等对双向旋转树型槽密封端面气膜动压特性进行了研究,结果表明,双向旋转树型槽干气密封不仅能够实现双向旋转,而且具有较好的动压效应,同时讨论了操作参数等对双向旋转树型槽密封性能的影响。但由于树型槽端面密封结构比较复杂,关于其密封特性及其端面几何结构特征参数的系统研究,国内外尚未见到有关公开报道。

6、结语

  具有沟槽对称布置的非接触式机械密封在具有良好密封性能的同时兼具双向旋转性,避免了由于反向旋转造成的密封失效问题,具有广阔的应用前景。根据不同的工况条件可进行具体槽型结构选择:高压、高温、大尺寸场合可选用圆弧槽型机械密封,且其具有较好的排污能力;低速场合下树形槽具有良好的动压开启效果,气膜压力分布均匀;磨削粒子细小的密封场合可选用多孔端面机械密封,其具有良好的捕捉磨损粒子及自润滑性能;T 型槽加工工艺简单,除高温场合运行不稳定性外,在各种工况条件下皆具有较好的动压性能,开启性能也较好。

  针对双向旋转式非接触密封的研究,笔者认为,今后的发展方向为:完善理论模型、强化回流效应、提高开启稳定性及提升T 型槽稳态运行温度区间。其中,可通过由单一变量参数向多变量参数发展完善理论模型;开启稳定性的研究不仅影响双向旋转槽型稳定性,同时直接影响其使用寿命,可由几何参数、工作参数与开启转速的关系入手进行分析研究,进而得出较低开启转速下的最优参数,提高运行稳定性。

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