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干氣密封的特性及應用

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干氣密封的特性及應用

發布日期:2019-03-05 作者: 點擊:

 各類泵中大部分密封都采用接觸式密封,其密封嚴重影響使用壽命和工作效率。隨著密封技術的發展,干氣密封技術的發明與應用,徹底解決了困擾高速離心壓縮機的軸封問題,密封使用壽命及性能都得到了很大提高,為機組穩定,長周期運行提供了保證。但目前干氣密封大部分應用在高速旋轉設備,像泵類產品中應用較少。為了改進泵類產品中密封存在的缺陷,筆者嘗試了把干氣密封應用于泵中,取代原來的機械密封

1、干氣密封與機械密封性能比較

  機械密封是一種傳統的密封型式,其特點是密封結構簡單,技術成熟,加工精度要求不太高。其缺點是泄漏率高,故障頻發。

  干氣密封是目前最先進的一種非接觸密封型式,其主要特點是:密封功率消耗小,僅為接觸式機械密封的5% 左右;與其它非接觸密封相比,干氣密封氣體泄漏量小;在離心壓縮機中,采用自身工藝氣體作為密封氣,對工藝流程無不利影響;可實現介質的零逸出,是一種環保型密封;密封輔助系統較為簡單,可靠,使用中不需要維護。

2、干氣密封的工作原理

  干氣密封基本結構如圖1 所示,由旋轉環,靜環,彈簧,密封圈以及彈簧座和軸套組成。圖2 為干氣密封旋轉環示意圖,旋轉環密封面經過研磨,拋光處理,并在其上面加工出有特殊作用的液體動壓槽。

干氣密封系統示意圖 干氣密封旋轉環示意圖

圖1 干氣密封系統示意圖  圖2 干氣密封旋轉環示意圖

  干氣密封旋轉轉環旋轉時,密封氣體被吸入動壓槽內,由外徑朝向中心,徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節流作用,進入密封面的氣體被壓縮,氣體壓力升高,在該壓力作用下,密封面被推開,流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜,此氣膜厚度一般在3μm左右,據氣體動力學研究表明,當干氣密封氣膜層厚度為2~3m時,流過間隙的氣體流動層最為穩定,這也就是干氣密封氣膜厚度設計值選定在2~3μm的原因,當氣體靜壓力,彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時,該氣膜厚度十分穩定,干氣密封密封面間的氣膜具有良好的氣膜剛度,保證密封運轉穩定可靠。

  正常條件下,作用在密封面上的閉合力( 彈簧力和介質力)等于開啟力,密封間隙為設計工作間隙。

  當受外部干擾,氣膜厚度減小,則氣膜反力增加,開啟力大于閉合力,迫使密封工作間隙增大,恢復到正常值。相反,若密封氣膜厚度增大,則氣膜反力減小,閉合力大于開啟力。密封面間隙恢復到正常值。因此,只要在設計范圍內,當外部干擾消失以后,氣膜厚度就可以恢復到設計值。

  可見,干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的氣膜剛度,氣膜剛度大,干氣密封抗干擾能力越強,密封運行越穩定可靠。干氣密封的設計就是以獲得最大的氣膜剛度為目標而進行的。

3、影響干氣密封性能的主要參數

  干氣密封的性能主要體現在密封運行的穩定性( 或者說使用壽命)和密封泄漏量的矛盾。影響干氣密封泄漏量的直接因素就是干氣密封的氣膜厚度,也就是干氣密封運轉時密封面間形成的工作間隙。我們將影響干氣密封性能的參數分為密封結構參數和密封操作參數。

3.1、密封結構參數

3.1.1、干氣密封動壓槽形狀

  從流體動力學角度來講,在干氣密封端面開任何形狀的溝槽,都能產生動壓效應。理論研究表明,對數螺旋槽產生的流體動壓效應最強,用其作為干氣密封動壓槽而形成的氣膜剛度最大,及干氣密封的穩定性最好。

3.1.2、干氣密封動壓槽深度

  理論研究表明,干氣密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時,密封的氣膜剛度最大。實際應用中,干氣密封的動壓槽深度一般在3~10 微米。在其余參數確定的情況下,動壓槽深度有一最佳值。

3.1.3、干氣密封動壓槽數量、動壓槽寬度、動壓槽長度理論研究表明,干氣密封動壓槽數量趨于無限時,動壓效應最強。不過,當動壓槽達到一定數量后,再增加槽數時,對干氣密封性能影響已經很小。此外,干氣密封動壓槽寬度、動壓槽長度對密封性能都有一定的影響。

3.2、密封操作參數

3.2.1、密封直徑、轉速對泄漏量的影響

  密封直徑越大,轉速越高,密封環線速度越大,干氣密封的泄漏量就越大。

3.2.2、密封氣壓力對泄漏量的影響

  不難想象,在密封工作間隙一定的情況下,密封氣壓力越高,氣體泄漏量越大。

3.2.3、工作介質溫度、粘度對泄漏量的影響

  工作介質溫度對密封泄漏量的影響是由于溫度對介質粘度有影響而造成的。介質粘度增加,動壓效應增強,氣膜厚度增加,但同時流經密封端面間隙的阻力增加。因此,對密封泄漏量的影響不是很大。

4、應用實例

  離心泵輸送介質為液體,雙端面干氣密封可以應用在絕大多數離心泵的軸封上,具體結構圖( 略),輔助系統見圖1。該密封具有以下特點:

  ①" 氣體阻塞" 替代傳統的" 液體阻塞",即用帶壓密封氣替代帶壓密封面,保證工藝介質實現"零逸出";

  ②整套密封非接觸運行,其功率消耗僅為傳統雙端面密封的5% ,使用壽命比傳統密封長三倍以上;

  ③結構簡單的輔助系統,保證工作介質不受污染及工作介質不向大氣泄漏,徹底擺脫了傳統雙端面機械密封對油系統的依賴,密封氣采用工業氮氣,其壓力高于介質2Mpa 。

  泵采用雙端面干氣密封的不足之處是:

  ① 需要一定壓力的氣源,氣源壓力至少高于介質壓力0.2Mpa ;

  ② 有微量氣體進入工藝流程。

5、結束語

  由于采用了干氣密封新技術而使問題得到解決,為裝置的安全平穩、長周期、滿負荷運行提供了有力的保障。同時也說明采用新技術和新工藝是解決裝置運行問題的一條有效途徑。干氣密封其密封端面在運行期間幾乎無磨損, 只在開停車時才出現很小的磨損。一旦有顆粒雜質進入密封腔,密封面壓力槽根部很容易遭到磨損。因此,用于密封的氣體一定要清潔,無顆粒雜質。


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