干氣密封的工作原理及設計計算
干氣密封是一種新型的非接觸軸封,與其它密封相比,干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長、能耗低、操作簡單可靠、維修量低、被密封的流體不受油污染等特點。機械密封一直不能干運轉,但干氣密封利用流體動壓效應,使旋轉的兩個密封端面之間不接觸,而被密封介質泄漏量很少,從而實現(xiàn)了既可以密封氣體又能進行干運轉操作。在壓縮機應用領域,無論離心壓縮機、軸流式壓縮機、齒輪傳動壓縮機還是透平膨脹機,干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤滑機械密封。在泵和反應釜上干氣密封應用也越來越廣泛。
1、干氣密封的基本工作原理
干氣密封與一般機械密封的平衡型集裝式結構一樣,但端面設計有所不同,表面上有幾微米至十幾微米深的溝槽,端面寬度較寬。與一般潤滑機械密封不同,干氣密封在兩個密封面上產生了一個穩(wěn)定的氣膜。這個氣膜具有較強的剛度使兩個密封端面完全分離,并保持一定的密封間隙,這個間隙不能太大,一般為幾微米。密封間隙太大,會導致泄漏量增加,密封效果較差;而密封間隙較小,容易使兩密封面發(fā)生接觸,因為干氣密封的摩擦熱不能及時散失,端面接觸無潤滑,將很快引起密封變形、端面過度發(fā)熱從而導致密封失效。這個氣膜的存在,既有效地使端面分開又使相對運轉的兩端面得到了冷卻,兩個端面非接觸,故摩擦、磨損大大減小,使密封具有長壽命的特點,從而延長主機的壽命。
如圖1 所示,開槽的密封面,分為兩個功能區(qū),外區(qū)域和內區(qū)域,氣體進入開槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進入的氣體,在槽根部形成局部的高壓區(qū),使端面分開,并形成一定厚度的氣膜,為了獲得必要的泵送效應,動壓槽必須開在高壓側。開槽的密封間隙內的壓力增加對干氣密封的工作是至關重要的,它將保證即使在軸向載荷較大的情況下,密封也能形成一個不被破壞的穩(wěn)定氣膜。密封的內區(qū)域(即壩區(qū)) 是平面的,靠它的節(jié)流作用而限制了泄量。密封工作時端面氣膜形成的開啟力與由彈簧和介質作用力形成的閉合力達到平衡,從而實現(xiàn)了非接觸運轉。干氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當密封不受壓或不工作時能確保密封的閉合,防止意外發(fā)生。
圖1 干氣密封端面結構
由此看出,干氣密封的設計,決定性的因素是密封環(huán)上開槽的幾何形狀和幾何尺寸,選擇合理、適用易于加工制造的槽形設計和結構設計是至關重要的。
密封面開槽既可在動環(huán)上也可以在靜環(huán)上,一般來說高速情況下,在動環(huán)密封面上開槽;在低速或中速情況下可以在靜環(huán)上開槽。要注意由于密封間隙只有幾微米,因而一定要注意防止固體顆粒介質進入密封端面。
2、干氣密封流體力學計算
2.1、基本方程
納維—斯托方程和連續(xù)方程
2.2、方程的解法
采用有限差分法,先把計算域劃分為若干個有限控制體,用差商代替偏微分方程中的微商,得到代數(shù)方程,然后將代數(shù)方程在控制體上離散,得到代數(shù)方程組。編制計算程序解方程組可得到結果。
2.3、計算結果
壓力分布曲線圖如圖2 、圖3 所示。壓力分布曲面圖如圖4 、圖5 所示。
螺旋槽數(shù)12 ;螺旋角17°;間隙2.3μm;槽深7μm;開啟力20.1 kN ;泄漏量1.3 Nm3/h ;密封壓力降2.5 MPa
圖2 壓力分布曲線圖
螺旋槽數(shù)18 ;螺旋角15°;間隙4.0μm;槽深7μm;開啟力3.23 kN ;泄漏量0.11 Nm3/ h ;密封壓力降0.35 MPa
圖3 壓力分布曲線圖
旋槽數(shù)12 ;螺旋角17°;間隙2.3μm;槽深7μm;開啟力20.1 kN ;泄漏量1.3 Nm3/ h ;密封壓力降2.5 MPa
圖4 壓力分布曲面圖
螺旋槽數(shù)18 ;螺旋角15°;間隙4.0μm;槽深7μm;開啟力3.23 kN ;泄漏量0.11 Nm3/ h ;密封壓力降0.35 MPa
圖5 壓力分布曲面圖
3、結論
(1) 由圖2 至圖5 可以看出,氣體密封開設的微米級槽形產生了十分理想的增壓效果。圖2 、圖4 是半徑方向有一個開槽區(qū)的現(xiàn)象,圖3 、圖5 是半徑方向有二個開槽區(qū)的現(xiàn)象。從圖中可以看出開槽區(qū)根部壓力、壓強增加最明顯。在密封兩端壓力降為2.5MPa 的情況下,最大壓力值可達8MPa 。
(2) 從計算值來看,密封端面摩擦功耗很小,溫度測試表明端面溫升很小。
(3) 本文采用有限差分法對三維立體網格進行計算,得到的結果是正確可靠的,計算出的密封氣膜厚度,密封泄漏量等參數(shù)與實際測試結果很接近。
(4) 通過試驗臺模擬試驗,和鎮(zhèn)海石化富氣壓縮機干氣密封工業(yè)運行考核試驗數(shù)據與計算值基本吻合。
