干气密封设计的探讨
引言
随着机械密封环境的变化,气体润滑轴承应运而生。在20世纪60年代,美国John Crane公司率先开发研制了螺旋槽非接触无泄漏机械密封, 70年代研制并应用螺旋槽非接触式气体端面的密封。直到80年代采用在动环的端面使用螺旋槽型的结构,干气体密封技术真正应用到工业生产中。传统机械密封设计沿循“两个端面的接触—运动摩擦—产生摩擦热—导出热量”的工作方式进行。
干气密封设计从非接触考虑,在动环或静环的端面上加工出均匀分布的浅槽,其深度为3～10μm,旋转时气体在流体动压和气体分子的作用下由外缘向中心流动时,体积就会逐渐缩小,进入沟槽后即被引向中心并形成锥体气流,产生局部高压区,将动静密封环打开形成约2～3μm的气膜,两个配对的动静环端面由原来的紧密接触状态变为非接触状态。
工作原理如图1所示。干气密封相对于传统机械密封不再需要复杂而庞大的润滑油系统,由几何形槽相对运动造成的剪切流动而实现机械密封的非接触和负泄漏。由于这种旋转轴用动密封系统性能可靠,使用寿命长,功耗低,维护成本不高,能适应高温、高压、高速以及各种强腐蚀性介质等苛刻工况,因而广泛应用于石油、化工、冶金、航空航天、国防军工、核能发电等领域。
图1 干气密封工作原理图
1、干气密封的设计基准
(1)密封端面要保持非接触状态。
(2)选定适用于高速回转和干摩擦的材质。
(3)动平衡应保持不变。
(4)选用适用于气体条件的密封系统、辅助装置。
2、影响干气密封性能的主要参数
2.1、密封结构参数
2.1.1、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。端面沟槽形状技术已成为干气密封的核心技术。目前,国际上如John Crane、Burgman、Flowserve 等著名的公司都有自己的专利形槽技术,而且端面形槽已成为公司产品标志的重要特征,如图2所示。
图2 各密封公司槽形图示意图
(a)(b) John Crane单向螺旋槽、双向枞树形槽(c) Flowserve双向T形槽(d)鼎名单向槽(e) (f) Burgman单向V形槽、双向U形槽(g)鼎名双向槽
2.1.2、干气密封动压槽深度
干气密封为保持非接触状态,在设计中特别重要的一个数据是气膜刚度,也就是浮力(即复原力)变化量和间隙变化量的比值,气膜刚度越大, 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的而进行的。从理论上讲,气膜刚度越大,间隙越不易发生变化,密封性能越会稳定。气体动力学研究表明,当干气密封两端面间的间隙在2～3μm时,通过间隙的气体流动层最为稳定。在此厚度的气膜下, 由气作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用形成的闭合力达到平衡,于是密封实现非接触运转。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。在实际应用中,干气密封的动压槽深度一般设计在3～10μm,在其余参数确定的情况下,动压槽深度有一最佳值。
2.1.3、干气密封动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度
要产生较大的浮力,沟槽部位的面积就必须要达到一定的要求,和相同尺寸的接触式机械密封相比,干气密封密封端面的面积更大。产生浮力的气体应具有黏性,在设计时,应将黏性系数作为一个参数,以流体力学方程式为基础,按照设计要求,通过计算来设计密封端面沟槽的数量、宽度及长度等,以确保能够产生足够的浮力。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。
2.2、密封其它参数
2.2.1、密封环转速对密封性能的影响
转速越高,密封环线速度越大,不同的部件在高速回转中,因离心力以及发热等因素造成的膨胀不同。在回转中,空轴套的内径比实心轴的外径膨胀得更大,压力以及离心力引起的变形可以通过调节端面形状来控制;密封端面温度比其他部位高,热膨胀会导致密封环变形。因此在决定各部件的尺寸时,应该将压力、离心力、摩擦发热等因素综合起来进行计算,以确保密封端面间隙保持平行。
2.2.2、密封气压力对泄漏量的影响
干气密封在静止状态下只要施加压力,密封端面处就会发生泄漏。因此,可燃性、腐蚀性、有毒的气体存在时,大多采用串联式密封或双端面式密封。
2.2.3、密封气污染对密封的影响
由于干气密封只控制数微米的间隙,如果密封气不够洁净、干燥,将会严重影响密封效果。因此干气密封制造厂家对密封气的质量都有相当严格的要求,一般都要求密封气干燥, 并不含大于3μm的粉体、固体以及液体、烟雾等。因此如果被密封的气体被污染,就必须将污染气体抽出经过滤器过滤后再送往密封,或从外部通过过滤器供给干净的气体。由于离心力的作用,大气中的粉尘以及轴承漏出的油都会侵入到密封端面内,因此应在大气侧设置辅助密封或使用净化气体。
2.2.4、温度对密封的影响
干气密封虽不如接触式机械密封,但在高速、高压条件下各部件也会发热导致温度上升。因此在密封处冷却的基础上,常常进行净化气体的冷却以达到很好的密封效果。
2.2.5、密封材质对密封的影响
干气密封回转部件在高速回转时,为了确保一定的密封端面面积,外径一般比较大。因此在选择耐磨材质时,既要考虑到高强度,还要考虑到不易变形,往往选用杨氏弹性率高、热膨胀系数低、热传导率高、质量轻的材料。
另外,干气密封虽是非接触式密封,但在启动和停止的过渡状态,密封端面并不是完全张开的,气膜刚度较小,会发生瞬间的接触,如果由接触摩擦引起的发热过大,热变形会使密封端面很难保持平行,导致进一步的接触和损伤。因此干摩擦状态下的耐磨损性及低摩擦系数在选用材质时要充分考虑到。目前,干气密封硬质材质大多选用硬质合金碳化钨、碳化硅,以及新开发的延性金属材料。
3、干气密封设计的现状及面临的问题
(1)密封端面摩擦是决定密封性能的重要因素,也是长期以来研究的热点。
(2)目前,偏心、密封面倾斜和密封面变形对密封性能影响的研究主要以试验为主,尚未建立数学模型。
(3)目前已在端面微观形貌(粗糙度、波度、变形等) 、相变、空化等方面开展了很多研究,但是很少从流体力学角度入手�？悸邱詈洗�、变形等因素,对气体膜内流动进行分析,建立比较实用的干气密封设计模型,提出相关的理论和相应的改型措施还需深入研究。
(4)密封厂家不仅需要对密封环、辅助用密封圈等密封要素进行改善,还需要对更有效的冷却方式进行更新。
(5)耐高温蒸汽密封材料以及辅助用密封圈的开发还需进行长期深入的研究。
