风机用干气密封的设计与试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥通用机械研究院 作者:沈宗沼

  针对使用条件,进行了某风机用干气密封的结构设计,计算了干气密封的性能参数,确定了螺旋槽的几何参数;为了验证该干气密封的密封性能,进行了试验研究,试验结果与理论计算结果吻合较好。

  引言

  随着现代工业的发展,风机用轴封发生了很大的变化,从迷宫密封、分瓣环密封和浮环密封、接触式机械密封到非接触式机械密封,密封技术取得了很大的进步。干气密封是20世纪60年代末期在气体动压轴承的基础上通过对机械密封进行根本性改进发展起来的一种非接触式机械密封,其优点是泄漏量小,能实现介质的零泄漏,而且在运行时两端面之间形成气膜,端面不接触,因此功率消耗小,工作稳定性好,使用寿命长;常用于工况复杂、不允许泄漏的封气场合。

  某企业风机的轴封为双端面接触式机械密封,封液介质为油。经过一段时间的使用,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该机械密封一直存在不同程度的泄漏,而且端面磨损较严重,影响了整个装置的正常生产,给企业带来了较大的经济损失。本文依据原风机的使用工况条件,经过结构设计、理论计算和试验研究,进行了风机用干气密封的研制开发。

1、密封设计

  1.1、工况参数

  该密封的使用工况参数见表1。

表1 密封使用工况

密封使用工况

  1.2、结构设计

  为了使风机输送介质中的易燃和有毒气体完全无泄漏,而且要保证密封结构和系统相对比较简单来满足现场需要,确定密封采用带有缓冲气的双端面结构设计方案,再结合使用工况,进行具体结构设计,其密封结构如图1所示,主要设计参数见表2。主密封气和缓冲气都是由外部引入的工业氮气,主密封气压力为0.6MPa,缓冲气压力为0.3MPa,其中缓冲气的作用是防止介质向外侧扩散污染密封端面而影响主密封的正常运行。

表2 主要设计参数

风机用干气密封的设计与试验研究

风机用干气密封的设计与试验研究

图1 密封结构

  1.3、理论计算

  干气密封工作时所产生的动压效应是依靠在密封环高压侧开有若干个一定几何形状的型槽来实现的,型槽深度为几微米。旋转时,密封气被向内泵送到型槽根部,在型槽内被压缩,压力升高,产生开启力,推开密封端面,开启力与由作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力达到平衡即稳定,此时,流动的气体在两个密封端面间形成一层很薄的气膜,从而实现对介质气体的密封。由此可知,为了能产生较好的动压效应,又能保证一定的气膜刚度和合适的泄漏量,型槽的参数设计是干气密封设计的关键。

2、试验研究

  针对所设计的风机用干气密封,进行了试验研究,以检验设计是否符合要求。本试验是在我院机械密封试验装置上完成的,试验装置的最大试验轴径为ϕ180mm,试验转速为0~3000r/min,变频电机驱动,可实现无级调速。

  试验方案如图3所示。试验运行过程中,高压N2分别经减压阀减压、过滤器过滤后给试验密封源源不断地提供主密封气和缓冲气,主密封气的泄漏量可由流量计测出。

  2.1、试验内容

  干气密封的试验分为四个阶段,分别是静态试验、动态试验、目测检查和确认试验。本试验的主要内容如下。

  (1)静态试验:首先缓冲气压力为0MPa,主密封气压力为0.6MPa,保压10min,记录泄漏量;再将主密封气压力分别为0.45MPa、0.3MPa和0.15MPa,各保压5min,记录泄漏量。

  (2)动态试验:第一步,缓冲气压力为0MPa,主密封气压力为0.6MPa,将转速缓慢增至980r/min,运行15min,泄漏量达到稳定后,记录泄漏量;第二步,将转速增至1130r/min,运行15min,记录泄漏量;第三步将转速降至980r/min,运行1h,每隔5min记录一次泄漏量;第四步,将缓冲气压力增至0.3MPa,运行15min,记录泄漏量;最后,将缓冲气压力降为0,完成连续两次的停车和启动,启动后转速增至980r/min,达到稳定后,记录泄漏量。

  (3)目测检查:动态试验完成后,拆卸密封,检查密封端面磨损情况及其他部件状况。

  (4)确认试验:重新组装密封,装至试验台,重复静态试验步骤,记录泄漏量。

  2.2、试验结果

  试验完成后,其试验结果见表4、表5和表6。由下述试验结果可知,该干气密封能完全满足设计要求,并能满足文献中规定的性能要求。当缓冲气压力为0时,其单个密封端面的动态试验泄漏量为0.08m3/h,略大于理论泄漏量0.067m3/h,误差较小。

表4 干气密封静态试验记录

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表5 干气密封动态试验记录

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表6 干气密封确认试验记录

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3、结论

  (1)针对风机使用工况条件,进行了其干气密封设计,采用带有缓冲气的双端面密封结构。

  (2)密封端面槽型采用螺旋槽,通过理论计算,得出了螺旋槽的几何参数值;并计算了该槽型在运行条件下的理论泄漏量。

  (3)对该干气密封进行了试验研究,通过试验测出的实际泄漏量略大于理论泄漏量,但误差较小。

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