（化学工程专业论文）串联干气密封在大型离心压缩机上的应用研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 安全、环保、绿色已经成为当今工业经济发展中十分重要的目标之一，节能减排 是当前我国经济发展中的必然要求。设备存在的各种各样的泄漏问题是实现安全、降 耗、环保、长周期目标的重大阻碍。机械密封的研究就是以消除或降低设备泄漏并且 保证设备安全长周期运行为目的。随着科技的进步，目前国内外对机械密封的研究与 推广都取得了一定的成绩，尤其在动密封领域，机械密封已发展到第五代干气密 封，其研究潜力和应用前景非常广阔。干气密封是一种以气膜润滑的流体动、静压结 合型非接触式机械密封。 本文以吉林石化公司炼油厂压缩机密封系统技术改造为课题，对将原浮环密封结 构改造为干气密封结构进行分析与研究。指出了原浮环密封存在的缺陷和改造的必要 性，结合干气密封的理论研究，阐述了密封技术改造中的构思、实施办法及维护要点； 分析了影响干气密封性能的主要因素，对干气密封进行理论计算，根据计算结果确定 出密封面的结构参数；通过对g b 5 0 1 压缩机密封系统改造前后的技术指标和经济效 益对比，表明了干气密封具有良好的密封性能，能够保证压缩机安全、稳定、长期、 满负荷的优质运行。 干气密封在压缩机上的成功应用，证实了新技术在石化生产中对于维持设备的正 常运行，降低物料和能源的消耗，防止环境污染和保证人身及设备安全起着重大的作 用，为企业的可持续发展创造了条件。 关键词：干气密封；螺旋槽；压缩机；轴端封改造；控制系统 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fs e r i e sd r yg a ss e a lo nl a r g e - s c a l e c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a b s t r a c t s a f e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dg r e e nh a v ea l r e a d yb e c o m et h et r e n do fp r e s e n t d e v e l o p m e n t ，i ti st h ei n e v i t a b l er e q u i r e m e n ti nt h ep r e s e n te c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u r c o u n t r yt os a v ee n e r g ya n dc u tg r e e n h o u s ee m i s s i o n t h el e a k a g ep r o b l e mi sam a j o r o b s t a c l et oa c h i e v et h eg o a lo fs e c u r i t y ，c o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n dl o n gc y c l e t h ep u r p o s eo ft h em e c h a n i c a ls e a lr e s e a r c hi st oe l i m i n a t eo rr e d u c e l e a k a g e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ha n de x t e n s i o na b o u tt h em e c h a n i c a ls e a lh a sa c h i e v e d g o o dr e s u l t si nd o m e s t i ca n da b r o a d ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fm o v i n gs e a l ，i th a sa l r e a d y d e v e l o p e dt ob et h ef i f t hg e n e r a t i o n t h ed r yg a ss e a l ，s t u d yp o t e n t i a l i t ya n da p p l i c a t i o ni s v e r yb r o a d d r yg a ss e a li sak i l do fn o n c o n t a c tm e c h a n i c a ls e a lt h a tc o m b i n e st h e d y n a m i cp r e s s u r ea n ds t a t i cp r e s s u r eo fg a sf i l ml u b r i c a t i n gf l u i d t h i st e x ti sc o m b i n e dw i t ht h ec a s eo ft h ej i l i np e t r o c h e m i c a lc o m p a n yr e f i n e r yw h i c h t h ef l o a tl i n ks e a lo ft h ec o m p r e s s o rw a sc h a n g e dt ot h ed r y g a ss e a l ，h a v ep o i n t e do u tt h e d e f e c t so ff l o a t sr i n gs e a la n dt h en e c e s s i t yo ft h et r a n s f o r m a t i o n ；c o m b i n e dw i t ht h ed r y g a ss e a lt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ；s o m ep r e l i m i n a r yi d e a s ，m e t h o dt r a n s f o r ma c t u a l l ya n dm a i n p o i n to fm a i n t e n a n c eh a sb e e ne x p l a i n e d ；a n dt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ec a p a b i l i t y o ft h ed r yg a ss e a lh a sb e e na n a l y z e d t h ec o n f i g u r a b l ep a r a m e t e r so ft h es e a ls i d e sh a v e b e e nf i x e dt r o u g ht h et h e o r e t i ca c c o u n t i n go ft h ed r yg a ss e a la n db yt h ea c c o u n t i n gr e s u l t s t h ec o n t r a s t st ot h et e c h n i c a lt a r g e t sa n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t sb e f o r ea n da f t e rt h e r e b u i l d i n go ft h ec o m p r e s s o rs e a l i n gs y s t e mt y p eg b 一5 01s h o wt h ef i n ep e r f o r m a n c eo ft h e d r yg a ss e a l ，w h i c hi sa b l et og u a r a n t e eas a f e ，s t a b l e ，l o n g t e r ma n df u l l - l o a d i n ge x c e l l e n t r u n n i n go f t h ec o m p r e s s o r t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fd r yg a ss e a lo nt h ec o m p r e s s o rh a sv e r i f i e dt h a tt h e n e w t e c h n o l o g yh a sp l a y e dag r e a tr o l es a f e l yi nt h en o r m a lr u n n i n ga n dm a i n t a i n i n gt h e a p p a r a t u si nt h ep r o d u c t i o no fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，r e d u c i n gs u p p l i e sa n dc o n s u m p t i o n o fe n e r g y ，p r e v e n t i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dg u a r a n t e e i n gp e r s o n a la n dt h ea p p a r a t u s s a f e t y i th a sc r e a t e dc o n d i t i o n sf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ：s p i r a lt r o u gh ；c o m p r e s s o r ；s e a lr e f o r m ； c o n t r o is y s t e m - i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名：名罐嗟二釜日期：二竺2 一年血月圣厶日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 作为石油化工以及能源工业行业心脏部分的离心式压缩机的应用日趋广泛，随着生 产工艺过程和要求的日益苛刻，环保要求越来越高，设备运转周期的延长，对离心式压 缩机的轴封要求越来越高，随之而来的就是如何解决这些高速运转设备的轴封问题。目 前国内外石化行业普遍应用透平压缩机来输送各种易燃易爆易泄漏有腐蚀性的气体，为 了防止或限制这些气体沿压缩机旋转轴端部泄漏到大气中去，就必须采用各种轴端密封 装置，以便确保机组的正常运转，降低物料和能源的消耗，防止环境污染和保证人身及 设备安全。 从离心式压缩机轴封的发展过程来看，主要经历了以下几个阶段：( 1 ) 迷宫密封； ( 2 ) 迷宫加抽充气密封；( 3 ) 液体浮环密封；( 4 ) 液体机械密封；( 5 ) 干气密封。 干气密封是一种新型的非接触式的旋转轴用动密封，其寿命长，维护方便，且能在 高参数( 高速、高温、高压) 状态下稳定运行，因此在石油、化工行业得到广泛应用， 特别是在压缩机中，超过9 0 的机组使用了干气密封。与普通接触式机械密封相比，干 气密封有以下主要优点：( 1 ) 省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功 率负荷。( 2 ) 大大减少了计划外维修费用和装置停车。( 3 ) 避免了工艺气体被油污染 的可能性。( 4 ) 密封气体泄漏量小。( 5 ) 维护费用低，经济实用性好。( 6 ) 密封驱 动功率消耗小。( 7 ) 密封寿命长，运行可靠。 本文以中石油吉林石化分公司炼油厂芳烃车间g b 5 0 1 循环氢压缩机密封技术改造 为课题背景，将进口的浮环密封改造成千气密封，对干气密封的结构和性能进行研究， 结合g b - 5 0 1 循环氢压缩机轴封改造实例做了具体的分析和阐述。 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 1 文献综述 1 1国内外干气密封发展概况 干气密封是一种新型的非接触式轴封，干气密封的概念是二十世纪六十年代末期从 气体润滑轴承的基础上发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。经过数年的研究，约 翰克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。二十世纪七十年代中期商用干气 密封在美国成功的应用于达到2 7 6 m p a 的压差和1 2 0 m s 的线速度的设备上，其气体泄 漏量仅为0 0 0 1 - - 0 0 0 2 m 3 s 【l 2 j 。随后，约翰克兰公司的s e d y 针对密封环槽区发生接 触磨损的现象提出了绝热设计的新概念，针对干气密封产生径向变形的现象提出了自平 行原理的理论【3 4 j 。英国克兰公司的g a b r i e l 对影响螺旋槽气体密封性能的操作参数 及结构参数进行了定性分析，并对密封环材料及加工方法进行了探讨【5 “】。新墨西哥大 学的a ol e b e c k 教授对端面带坡度的气体润滑机械密封进行了分析计算，认为其具有 泄漏量少、寿命长、性能稳定等特点。日本e a g l e 公司对气体静压外接触式干气密封 进行了试验研究r l 引。德国博格曼公司对双向螺旋槽和t 型密封进行了研究，使用效果 良好【9 】。约翰克兰公司的针对气体润滑的瑞利台阶型和螺旋槽型外接触密封进行了研 究，并开发了系列产品【l 叭1 1 】。 自从1 9 6 8 年美国约翰。克兰公司研制出世界上第一款圆弧面螺旋槽非接触机械密封 以来，特别是7 0 年代以后，世界各国对干气密封的研究突飞猛进，密封端面形式和机 构不断发展，如槽型出现了圆弧形、单双梯形、倒t 形、倒v 型等等，结构上出现了带 中间环密封等【1 2 、1 3 1 。随着科学技术的发展和一些复杂情况的出现以及应用上的特殊要 求，在干气密封的发展上，必然会出现更先进、更有效密封形式，服务于生产实际【1 4 1 。 在我国，干气密封应用于上个世纪八十年代，而系统的研究工作起步于上个世纪九 十年代初，在实际应用上直到最近几年，才取得具有突破性和广泛性的成果。九十年代 初期，我国开始逐步引进干气密封技术应用于大型离心式压缩机【l5 1 6 1 。同时，国内有关 的研究机构也相继开展了干气密封技术的研究工作。四川日机密封件有限公司、北京化 工大学、石油大学、天津鼎名密封公司等研究制造单位，相继发表了许多关于干气密封 原理和设计理论的研究论文。目前国内多家密封制造企业已有大量的产品投入工业应 用，取得了可观的经济效益l l 凡1 8 。 实践表明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，它主要用于输气管 线、海洋平台、炼厂、化肥、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统【1 9 2 0 1 。由于 干气密封属于非接触式密封，基本上不受p v 值的限制，因此干气密封特别适合作为在 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 高速高压、介质危险条件下的大型离心压缩机轴封。干气密封的出现，是密封技术的一 次革命，气体密封的难题从此得以解决，而不再会受到密封油等方面的限制。其所需的 气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多【2 1 2 2 1 。另外，干气密封的出现也改变了传 统的密封观念，将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合，“用气封液或气封气 的新 观念替代传统的“液封气或液封液 观念，可保证任何密封介质实现零溢出，这就使得 干气密封有着广泛的应用前景【2 3 】。 1 2 课题研究的技术背景 中石油吉林石化分公司炼油厂芳烃车间g b 一5 0 1 循环氢压缩机为日本日立公司生产 的离心压缩机，该压缩机为公司的特级维护设备，关系着几乎全厂后续设备的正常运行， 为全厂设备的命脉。此压缩机原采用浮环密封，自浮环密封投入运行以来，不仅功耗巨 大，而且密封油耗量也很大，年运行费用很高，而且经常因密封及其系统故障而停机检 修，严重影响生产【1 7 】【1 引。 针对g b 一5 0 1 循环氢压缩机原机械密封存在的问题，为了提高该压缩机运行的可靠 性和稳定性，保证机组和装置的长周期安全运行，提高装置的运行水平和经济效益，中 国石油吉林石化分公司炼油厂与天津新技术产业园区鼎名密封有限公司合作，对g b - 5 0 1 循环氢压缩机原密封系统改造，进行将浮环密封改造为串联干式气体密封的研究与应 用，以彻底解决困扰该压缩机长周期运行的轴封问题。基于这种情况，本研究论文对 g b 一5 0 1 循环氢压缩机干气密封结构和密封性能进行理论和实验研究工作。 1 3 本文研究的内容 本文通过对干气密封端面槽形设计分析，建立相应的数学模型，采用有限元法对干 气密封进行了模拟计算。以最大刚漏比为目标，对螺旋槽的槽深、槽数、螺旋角，槽宽 堰宽比、槽长、坝长比等参数进行了优化设计。分析影响干气密封气膜稳定性和可靠性 的因素，并通过实验对分析结果进行了验证。最后通过实际生产中大型机组干气密封改 造的实例来验证干气密封的实际使用效果。本文的研究工作对干气密封技术的应用具有 一定的指导意义。 3 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 2 干气密封的工作原理 干气密封与机械密封的区别在于，它是一种气膜润滑的流体动、静压相结合的非接 触式机械密封。在其核心零件一动环表面刻有特殊的螺旋槽。当密封运转时，气体通过 螺旋槽，被泵入到密封端面之间，从而在密封端面间形成气膜，并产生一定的开启力， 使旋转环与静止环脱离接触。这类密封的关键技术是端面螺旋槽技术。密封环上面加工 有均匀分布的浅槽，靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开【1 4 1 。 2 1泵送原理 随着动环的转动，气体被向内泵送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密 封坝。密封坝对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力。该密封坝内侧有反向螺旋槽， 起反向泵送、改善配合表面压力分布，加大开启静环与动环组件的能力【l6 1 。 反向螺旋槽的内侧还有一段密封坝，对气体流动产生阻力作用，增加气体膜压力， 其原理如图所示： 卜o 黼 ，气体被压缩。压力升高 一 反向泵送，阻力增大 ，一，。，。 j 一。 图2 1 泵送原理示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f p u m pt r a n s p o r t a t i o n 4 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 2 2 螺旋槽 产生流体动压作用的最有效方法是密封端面加工螺旋槽、阶梯槽，可以产生流体动 压作用，螺旋槽较成熟，可产生较大的气膜剐度，且膜压分布均匀。 干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。单旋向槽型只可用于单向旋 转，但相对于双旋槽，单旋槽型可形成更大开启力和气膜刚度。 单旋向槽型只可使用于单向旋转的机组，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转 则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。双旋向槽型无旋向要求，正反转皆可使用。 机组的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力 较单旋向差【】“驯。 图22 为单向螺旋槽和双向螺槽的具体实例。 单向螺旋槽双向螺旋槽 图2 2 螺旋槽密封端面 f i g2 2 s e a lc o n t a c t f a c e w i t hs p i r a lg r o o v e 其它形式的单旋槽和双旋槽分别如图2 3 和图2 4 所示 图2 3 单向槽型密封端面 心油 主 銎 一 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 f i g2 3 s e a lc o n t a c t f a c ew i t l l u n i d i r e c t i o n a lg r o o v e 圈2 4 双向槽型密封端面 f i g2 4 s e a lc o n t a c t f a c e w i t h t w o - w a y g r o o v e 根据国内外对干气密封各种槽型数据的研究对比，在同样的工作参数下，以螺旋线 设计的槽型具有最大的气膜刚度的同时仅有较小的泄漏量，即具有最大的刚漏比”。 3 1 o 下面主要介绍这种槽型： 图2 5 所示为典型的干气密封螺旋槽端面的示意图。密封面上加工有一定数量的螺 旋槽，其深度小于1 0 微米。密封运转时，被密封气体由周向吸入螺旋槽内，径向分量 由外径朝中心( 即低压侧) 流动，而密封坝限制气体流向低压侧。气体随着螺旋槽截面 圉25 干气密封螺旋槽端面示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd r yg a ss e a lw i t hs p i r a lg r o o v e 冬凹 苎 i ， i ( ) - 。“沁 大连理工大学专业学位硕士学位论文 形状的变化被压缩，在槽根部形成局部的高压区，使端面分开几微米而形成一定厚度的 气膜。在此厚度气膜下，由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭 合力达到平衡，于是密封实现非接触运转。干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的 正刚度，保证了密封运转的稳定性。为了获得必要的流体动压效应，动压槽必须开口在 高压侧。 圈2 6 所示为螺旋槽干气密封的作用力图，从图上可以看出气膜刚度是如何保证密 封运转的稳定性的。在正常情况下，密封的闭合力等于开启力。当受到外来干扰( 如工 艺或操作波动) ，气膜厚度变小则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应 增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，为保持力平衡密封恢复到原来的间隙；反 之，密封受到干扰气膜厚度增大，则螺旋槽产生的动压效应减弱，气膜压力减小，开启 力变小，密封恢复到原来的间隙1 22 ”。因此，只要在设计范围内，当外柬干扰消除后， 密封总能恢复到设计的工作问隙，即干气密封具有自我调节的功能而保证运行稳定可 靠。衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜剐度的大小，气膜刚度是气膜作用力 的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越 稳定。 f s - - 弹簧作用力 i p - - 介虚作用力 f 一气膜匣力 h r 一气腰厚度 闭合力= ，s + 印 开启力：f o 邑 “一正常间隙 邑 闭台力= 月f 8 l r 垦= b 间隙增犬 闭合力 开启力 圈2 6 螺旋槽干气密封作用力示意图 f i g2 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a p p l i e d f o r c e f o rd r yg a ss e a l w i t hs p i r a lg r o o v e 圈澍窝 jr目目目目目目日目目日日目 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 势- 盏凶喃 l 露重 图2 7 端面压力分布图 f i g2 , 7 1 1 1 u s l r a t i o n o f e n d f a c ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 2 3 干气密封的主要特征 ( 1 ) 允许虽大轴向窜量通常为+ 3 r a m 。 ( 2 ) 允许最大径向跳动通常为+ o6 m m 。 ( 3 ) 能在全压下启，停。 ( 4 ) 极低的工艺气泄漏。 ( 5 1 能承受速度和压力的快速变化。 彻由于非接触的特点，密封寿命高。 f n 省去了庞大的密封油系统，减少新机器的成本。 ( 8 ) 集装式设计、易安装，保护关键密封组件。 ( 9 ) 大大减少了计划外维修费用和生产停车。 ( 1 0 ) 避免了工艺气体被油污染的可能性。 ( 1 1 ) 维护费用低，经济实用性好。 ( 1 2 1 密封驱动功率消耗小。 ( 1 3 1 防止了润滑油系统的污染。 2 4 干气密封材料分析和使用分析 24 1 端面材料 干气密封的操作极限与密封各个元件的许用载荷有关，温度和压力极限由所用的辅 助密封橡胶和端面材料决定。干气密封的端面材料主要为碳化硅，碳化硅在满足温度和 压力的要求方面均表现出特殊的优势堋。端面材料组对的选择与压力、轴径和转速有关。 密封端面采用硬对硬组对，增强端面偶然接触的自润滑性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 42 辅助密封材料 对于辅助密封最重要的特性是温度极限，挤压特性和压力相关的气吸现象。为了消 除气吸的损害，压力下降率应低于2 m p a m i n 2 4 3 弹簧和其他结构件 弹簧和其他结构件通常用铬钢、不锈钢、m 0 2 t i 不锈钢，沉淀硬化不锈钢和哈氏 c - 4 等。 2 5 千气密封的基本结构和1 吏用分析 25 1 单端面密封结构 作为一种无泄漏结构选择，此结构有一个可把泄漏引到一个适合的火炬或排气1 3 接 v i 。在这种情况下主要的泄漏气与分离气一起被输送到火炬或排气口。图28 为单端面 密封结构。单端面布置适用于少量工艺气泄漏到大气中无危害的工况。如：c 如机、氨压机 等。 工艺气 口 敲空口隔离气 口 动环静环 进宫 图2 8 单端面密封结构 f i g2 8s i n g l e - s i d e d r yg a ss e a l 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 2 52 双端面密封结构 当没有火炬，但具有可以提供合适压力的缓冲气体的时候，使用取端面密封结构。 由于密封热量的产生，对于每一种工况，操作极限必须通过计算。此结构典型的应用是 不允许介质泄漏到大气侧，主要用于石油化工行业和其他有害气体压缩机。图2 9 为双 端面密封结构，适用于不允许工艺气泄漏到大气中，但允许阻封气( 例如氯气) 进入机 内的工况。适用于工艺气比较脏、不稳定或者存在负压的危险。要求控制阻封气体的压 力使其始终维持在比工艺气体压力高0 2 03 m p a 。如：富气压缩机等。 内尊环内动环抖动环外目年 图2 9 双端面密封结构 e i g 2 9 d o u b l e - s i d e d r y g a ss e a l 2 53 串联密封结构 串联结构是操作可靠性较高的密封结构。作为油和气工业的标准结构，它是设计简 单且仅需要一个相当简单的气体辅助系统。典型应用是介质气体少量泄漏到大气中是容 许的工况。适用于不允许外界其它气体进h i 艺介质，但允许少量工艺气泄漏到大气的 大连理工大学专业学位硕士学位论文 工况。通常两级，一级密封承担全部压力，二级密封备用，通常应用在改造机组上 h i 图21 0 为串联密封结构。 一蟠功环一绥静环= 缀动环二级静环 图2 i o 串联密封结构 f i g21 0 t a n d e md r y g a ss e a l 2 54 带中间迷宫的串联密封结构 如果工艺介质不允许泄漏到大气中和缓冲气体不允许泄漏到工艺介质中，此时串联 结构的两级密封间可加迷宫密封。典型的应用是不允许介质泄漏到大气中去，如h 2 s 含 量较高的天然气压缩机( 酸气) 和乙烯、丙烯压缩机。适用于既不允许工艺气泄漏到大 气中，又不允许阻封气进入机内的工况。用于酸性、腐蚀性或易燃、易爆、危险性大的 介质气体，可毗做到完全无外漏驯。需另引一路氮气作为第二级密封和中间迷宫问的使 用气体，图21 1 为带中间迷宫的串联密封结构。 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 工 艺 气 一钮动环 一级静环= 级动环= 绍静环 图2i i 带中间迷宫的串联密封结构 f i g 21 1 s e r i e sd r yg a ss e a lw i t ht h em i d d l el a b y r i n t h 轴 最 腔 26 影响干气密封性能的主要参数 根据干气密封的特点，一般造成它损坏的原因有密封介质带液、反转、长时间低转 速运行、反压、密封介质较脏，一般压缩机反转、反压、低转速容易排除，关键是密封 气的质量，如果是密封气带液，密封介质中含有较大量的液，造成干气密封动静环无法 形成有效的动压润滑，使非接触式密封变成接触式密封，而密封面的摩擦热又不髂有效 导出，因而造成密封面迅速磨损，动静环破碎。 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 矛盾上面。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。 2 61密封结构参数( 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 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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。 ( 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 一1 0 微米在其余参数确定的情况 下，动压槽深度有一最佳值。 ( 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。 2 6 2 操作参数对密封泄漏量的影响 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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 ) 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， 其对密封泄漏量的影响不是很大。 2 6 3影响干气密封刚度的工艺参数 影响气膜刚度的螺旋槽的结构参数主要有槽深、螺旋角、槽数、槽宽与堰宽比、槽 长与坝长比等，需用专用软件进行优化设计。而影响气膜刚度的工艺参数主要有以下几 种： 缓冲气粘度：密封气粘度的大小对气膜刚度的影响比较大，粘度越大、动压效应越 强、气膜刚度也就越大。密封气温度：在不同温度下，气体的粘度是不一样的；温度越 高、粘度越大、气膜刚度越大。密封转速：转速越高，动压效应越强、气膜刚度越大。 在理想状态下( 即不考虑密封加工精度和安装精度的影响) ，干气密封的转速越高、其 稳定性越好，而基本不受机械密封p v 值的限制，因此干气密封特别适合高速运转下使 用。密封端面的直径大小：在同一转速下，密封直径越大线速度越高，气膜刚度越大。 缓冲气的压力：缓冲气压力对气膜刚度的影响较小，一般来说，随着压力的增高，气膜 刚度略有增大。 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 3 干气密封的压力分布计算及动态特性分析 3 1应用有限元离散方法对端面压力分布的计算 干气密封运转时，由于浅槽作用产生流体动压效应，在密封面间形成很薄的气膜， 而且这层气膜具有一定的刚度，密封运转的稳定性就取决于气膜刚度的大小。要分析密 封的气膜刚度，必须了解密封面的压力分布，而压力分布服从雷诺方程。由于密封面上 槽形不规则，很难得到上述雷诺方程的解析解，为此，本文采用有限元分析法对雷诺方 程求解，得到比较精确的数值解。 3 1 1 数学模型 以g b - 5 0 1 循环氢压缩机改造后的串联螺旋槽型干气体密封为设计实例，阐述其密封 模型。图3 1 给出了螺旋槽干气密封的数学模型。 愿飞k 笏 k 。- 苣 图3 1螺旋槽干气密封数学模型 f i g 3 1m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rd r yg a ss e a lw i t hs p i r a lg r o o v e 密封面槽型为螺旋型，满足对数螺旋线方程，在柱坐标系统( ，目) 下表示为： ，：，p 9 一t a n a( 3 1 ) g 由于密封端面上螺旋槽呈对称性和周期性分布，对于稳态压力场，边界条件也是周 期性的，因此选择整个密封端面的肠2 份，其中一个槽台区和与之相连的坝区作为计 算区域( a b c d e f ) ，如图3 2 所示。 1 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图3 2 计算区域 f i g 3 2c a l c u l a t i o nr e g i o n 3 1 2 数值计算 数值分析采用雷诺平均的n a v i e r - - s t o k e s 方程作为控制方程，湍流模型选用 r n g x s 模型。采用二阶精度迎风格式，基于微元中心有限体积法空间离散。 基本控制方程：连续性方程和n - s 方程 采用e i n s t e i n ( 爱因斯坦) 求和符号规则。直角坐标中稳态质量守恒与稳态动量守 恒关系式可以表示成为： 旦b小oo x j 、j | 毒b 一) 5 苦q 一寿+ e ci = 1 , 2 , 3 ，乩2 3 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 这里e 为体积力，t 。为切应力张量。据s t r o k e s 假设3 1 ，它可以表示成为： = 考+ 等 - 詈鹏( 罄) c 3 气叫【i + 毒一胪盯【茁j “) 其中8 , j 为k r o n e k e r ( 克罗内克尔) 算符，当i = j 时其值为1 ；i 时，其值为零。 将式( 3 4 ) 代入( 3 3 ) ，得： 毒b 以) = 一瓦o p + 毒l ( 薏+ 善) + 卜一毒陪鹏篆) c 3 5 ) 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 为使动量方程在形式上与对流一扩散方程通用形式相一致，上式可进一步改写为： 考，唔卜考h 6 ， 、y 、，- ， 对流项扩散项 式( 3 6 ) 中源项包含了右端中所有未列入扩散项的其它各项，压力梯度项归并到 源项中。 控制方程为守恒型方程。控制方程采用分离解法，求解框图如下： 图3 3 求解框图 f i g 3 3b l o c kd i a g r a mo f t ou n t i e 控制方程的压力项的求解采用以压力为基本变量的原始变量( u ，v ，p ) 离散方法。 压力本身没有控制方程，它是以源项的形式出现在动量方程中，压力与速度的关系隐含 在连续方程中，这导致速度压力关联问题的产生，动量方程的离散形式无法把不合理的 压力脉动( 如锯齿波的压力形状) 显示出来，并且会一直将它保留到迭代收敛，作为正 确的压力波输出。压力速度的耦合广泛采用s i m p l e 算法，其基本思想是对n - s 方程的 压力项采用压力修正算法，来改进压力场。本文采用的s i m p l e c 算法是s i m p l e 算法的 1 6 大连理工人学专业学位硕士学豇皓文 改进方案，即协调一致s i m p l e 算法，两种算法所使用的表达式唯一的区别就是表面流 动速度校正项，因此，收敛特性远远优于s i m p l e 算法。 方程的离散采用二阶迎风格式，能提高计算结果的精确程度。 计算区域为图34 所示的一个槽台坝区，采用压力入口边界条件和出口边界条件、 壁面边界条件、周期性边界条件、旋转和静止壁面边界条件。网格生成采用f l u e n t 公 司的g a m b i t 软件，采用正交性好的六面体网格，由于网格数目的限制，规则部分区域 网格为结构化网格，不规则部分区域采用c o o p e r 方法生成一个方向结构化的网格。坝 区厚度方向为三层网格，槽区厚度方向为八层网格，总网格单元数目为1 2 0 0 5 3 1 ，网格 划分情况如图34 所示。 乙 圉34 计算区域的网络划分放大图 f 嘻3 a g r i d d i v i s i o ne n l a r g e m e n td r a w i n g f o r t h ec a l c u l a t i o nr e g i o n 进、出口均给定静压条件，湍流强度参数和水力直径。 以进口压力作为初试计算条件。 槽区与坝区边界取周期性条件，满足 j o ，吼，z ) 2 口p ，吼，z )( 3 7 ) 【q = 岛+ 2 z z 密封环表面取为壁面条件，采用速度无滑移条件。 串联千气密封在大型离心机上的应用研究 3 1 3 计算结果分析 以g b - 5 0 1 循环氢压缩机改造后的串联螺旋槽型干气体密封为计算实例，用上述模 型计算g b 一5 0 1 压缩机干气密封气膜压力分布，并与实验值进行比较。 g b - 5 0 1 压缩机干气密封螺旋槽几何尺寸以及运行条件为： r o = 6 5 m m ：( 动环外圆半径)r i = 4 2 3 5 m m ；( 动环内圆半径) r g = 5 2 5 m m ； ( 动环槽形底部半径)r b = 4 9 5 n m ；( 密封平衡直径的半径) q - - 1 5 0 ；( 动环螺旋槽角度) n g _ 1 8 ；( 动环端面螺旋槽头数) y = l ；( 周向槽宽比) h g _ 8 1 0 um ；( 动环螺旋槽槽深) h i = 3l am ：( 动环坝区气膜厚度) n = 1 2 6 7 7 r m i n( 压缩机额定转速) p o = 1 1 m p a ：( 外端面压力，即密封端面上游压力，略大于平衡管压力) p i = 0 0 2 5 m p a ；( 内端面密封压力，即密封端面下游压力，也就是火炬排放压力) 图3 5 是用f l u e n t 计算的g b 一5 0 1 压缩机干气密封气膜压力分布，以及与文献n 中的实验值的比较。由图可见，密封端面间的压力从外径到内径逐渐上升，大约到槽底 直径处，压力达到最大值。计算结果与文献实验值接近。因此，采用可采用上述模型通 过f l u e n t 软件进行干气密封的设计计算。从气膜压力分布图还可看出，螺旋槽气体密 封可以产生良好的流体动压效应。 s 一 盆 k oi 碧 釜。 备2 5 $蚰6 2 6 t 6 66 e7 0t 2 7 了67 0 半径t a d u s r a m 图3 5 气膜压力沿半径方向的分布 f i g 3 5 i l l u s t r a t i o no f t h ed i s t r i b u t i o nf o rg a sf i l mp r e s s u r ei nt h er a d i a ld i r e c t i o n 1 8 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 2 干气密封的轴向动态特性分析 干气密封有着优越的性能，这种密封在生产中面对高负荷( 高转速、高温、高压) 的苛刻条件，在设计中不但要求对在稳定运转的准静态性能( 稳态) 进行分析计算，还 要求考虑其动态性能。 动压槽气体端面密封轴向的微小扰动特性，即气膜厚度的微小扰动特性，与轴向微 小扰动相关。 3 2 1 密封模型 a z l a a 图3 6 密封模型简图 f i g 3 。6 s k e t c ho fs e a lm o d e l 图3 6 描述了气体端面密封的几何参数。h 表示流体膜厚度，办g 表示动压槽深，w g 表示动压槽宽度，蜥表示坝区宽度。坐标系建立在密封面上，用柱坐标o o ，z ) 进行描述。 1 9 串联干气密封在大型离心机上的应用研究 只有几微米深的动压槽通常刻在旋转环表面上，流体在带有动压槽的旋转环表面和 光滑的静止环表面间的流动，产生泵吸作用。当动压槽开在密封环的外侧时，流体由外 向内泵入；反之，也可以由内向外泵出。图3 6 所示的密封环，外侧开有螺旋槽，内侧 为密封坝，它既可以减少泄漏又可以增加轴向刚度。根据实际需要，密封坝既可以在密 封环外径处，也可以在内径处，或内径和外径处同时都有密封坝。 在动压槽端面机械密环间的绝热的，等粘度的，理想气体的流动可以描述为心3 ： 兰三f 丛! 鱼1 + ! 旦f 丛，望1 _ 一a ( r p h ) + a ( p h ) ( 3 8 ) ra 8 1 2 xra 9 ) ra r i 2 p o r ) 2 r a 88 t 式中，p 代表密封环间的压力，h 表示流体膜厚度，u 流体粘度，q 表示密封转速。密封 环在内径砒和外径r o 处承受的压力分别为p i n 和p o u t 。由于结构的特点，计算域可取 一个槽台区域。 通过对方程( 3 8 ) 引进入一个相对于平衡位置，激励频率为功的引起膜厚压力扰动的轴向 小干扰( z 5 h 。止e ”) ，可得到稳态的润滑方程和扰动的润滑方程。扰动的膜厚和压力 可以表示为： h ( r ，0 ，z ) = h o + 厅= h o ( r ，0 ) + 6 z e 7 耐 p ( r ，0 ，z ) = p o + p = p o + p ，( 尸，秒) a z e 7 耐 上式中f = 仃，p t 表示轴向扰动压力值振幅。 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 把万程( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 代入万程( 3 8 ) 即得到稳态方程( 3 11 ) 和轴同扰动方程( 3 1 2 ) ： 吾寺( 器吾嘉一孚础。) + 吾导( 器，等) - 。 c 3 川 吾寺( 等p 。籍+ 茜等乒一孚仉协，) + 吾昙( r r 嚣p 。挈+ 为驾0 = i m ( p i 协， ( 3 1 2 ) 密封环间的气膜压力对密封环轴向合力可以表