干气密封的特性及应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江工业大学浙西分校机电控制工程系 作者:张剑慈

  各类泵中大部分密封都采用接触式密封,其密封严重影响使用寿命和工作效率。随着密封技术的发展,干气密封技术的发明与应用,彻底解决了困扰高速离心压缩机的轴封问题,密封使用寿命及性能都得到了很大提高,为机组稳定,长周期运行提供了保证。但目前干气密封大部分应用在高速旋转设备,像泵类产品中应用较少。为了改进泵类产品中密封存在的缺陷,笔者尝试了把干气密封应用于泵中,取代原来的机械密封。

1、干气密封与机械密封性能比较

  机械密封是一种传统的密封型式,其特点是密封结构简单,技术成熟,加工精度要求不太高。其缺点是泄漏率高,故障频发。

  干气密封是目前最先进的一种非接触密封型式,其主要特点是:密封功率消耗小,仅为接触式机械密封的5% 左右;与其它非接触密封相比,干气密封气体泄漏量小;在离心压缩机中,采用自身工艺气体作为密封气,对工艺流程无不利影响;可实现介质的零逸出,是一种环保型密封;密封辅助系统较为简单,可靠,使用中不需要维护。

2、干气密封的工作原理

  干气密封基本结构如图1 所示,由旋转环,静环,弹簧,密封圈以及弹簧座和轴套组成。图2 为干气密封旋转环示意图,旋转环密封面经过研磨,抛光处理,并在其上面加工出有特殊作用的液体动压槽。

干气密封系统示意图 干气密封旋转环示意图

图1 干气密封系统示意图  图2 干气密封旋转环示意图

  干气密封旋转转环旋转时,密封气体被吸入动压槽内,由外径朝向中心,径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用,进入密封面的气体被压缩,气体压力升高,在该压力作用下,密封面被推开,流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜,此气膜厚度一般在3μm左右,据气体动力学研究表明,当干气密封气膜层厚度为2~3m时,流过间隙的气体流动层最为稳定,这也就是干气密封气膜厚度设计值选定在2~3μm的原因,当气体静压力,弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时,该气膜厚度十分稳定,干气密封密封面间的气膜具有良好的气膜刚度,保证密封运转稳定可靠。

  正常条件下,作用在密封面上的闭合力( 弹簧力和介质力)等于开启力,密封间隙为设计工作间隙。

  当受外部干扰,气膜厚度减小,则气膜反力增加,开启力大于闭合力,迫使密封工作间隙增大,恢复到正常值。相反,若密封气膜厚度增大,则气膜反力减小,闭合力大于开启力。密封面间隙恢复到正常值。因此,只要在设计范围内,当外部干扰消失以后,气膜厚度就可以恢复到设计值。

  可见,干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的气膜刚度,气膜刚度大,干气密封抗干扰能力越强,密封运行越稳定可靠。干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目标而进行的。

3、影响干气密封性能的主要参数

  干气密封的性能主要体现在密封运行的稳定性( 或者说使用寿命)和密封泄漏量的矛盾。影响干气密封泄漏量的直接因素就是干气密封的气膜厚度,也就是干气密封运转时密封面间形成的工作间隙。我们将影响干气密封性能的参数分为密封结构参数和密封操作参数。

3.1、密封结构参数

3.1.1、干气密封动压槽形状

  从流体动力学角度来讲,在干气密封端面开任何形状的沟槽,都能产生动压效应。理论研究表明,对数螺旋槽产生的流体动压效应最强,用其作为干气密封动压槽而形成的气膜刚度最大,及干气密封的稳定性最好。

3.1.2、干气密封动压槽深度

  理论研究表明,干气密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时,密封的气膜刚度最大。实际应用中,干气密封的动压槽深度一般在3~10 微米。在其余参数确定的情况下,动压槽深度有一最佳值。

3.1.3、干气密封动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度理论研究表明,干气密封动压槽数量趋于无限时,动压效应最强。不过,当动压槽达到一定数量后,再增加槽数时,对干气密封性能影响已经很小。此外,干气密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响。

3.2、密封操作参数

3.2.1、密封直径、转速对泄漏量的影响

  密封直径越大,转速越高,密封环线速度越大,干气密封的泄漏量就越大。

3.2.2、密封气压力对泄漏量的影响

  不难想象,在密封工作间隙一定的情况下,密封气压力越高,气体泄漏量越大。

3.2.3、工作介质温度、粘度对泄漏量的影响

  工作介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的。介质粘度增加,动压效应增强,气膜厚度增加,但同时流经密封端面间隙的阻力增加。因此,对密封泄漏量的影响不是很大。

4、应用实例

  离心泵输送介质为液体,双端面干气密封可以应用在绝大多数离心泵的轴封上,具体结构图( 略),辅助系统见图1。该密封具有以下特点:

  ①" 气体阻塞" 替代传统的" 液体阻塞",即用带压密封气替代带压密封面,保证工艺介质实现"零逸出";

  ②整套密封非接触运行,其功率消耗仅为传统双端面密封的5% ,使用寿命比传统密封长三倍以上;

  ③结构简单的辅助系统,保证工作介质不受污染及工作介质不向大气泄漏,彻底摆脱了传统双端面机械密封对油系统的依赖,密封气采用工业氮气,其压力高于介质2Mpa 。

  泵采用双端面干气密封的不足之处是:

  ① 需要一定压力的气源,气源压力至少高于介质压力0.2Mpa ;

  ② 有微量气体进入工艺流程。

5、结束语

  由于采用了干气密封新技术而使问题得到解决,为装置的安全平稳、长周期、满负荷运行提供了有力的保障。同时也说明采用新技术和新工艺是解决装置运行问题的一条有效途径。干气密封其密封端面在运行期间几乎无磨损, 只在开停车时才出现很小的磨损。一旦有颗粒杂质进入密封腔,密封面压力槽根部很容易遭到磨损。因此,用于密封的气体一定要清洁,无颗粒杂质。

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