（化工过程机械专业论文）干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟.pdf

硕十学位论文 摘要 干气密封，即干运转气体润滑非接触式机械密封。自2 0 世纪7 0 年代首次实 现工业应用以来，以其微泄漏、低能耗、长寿命等突出优点在国内外炼油、化肥、 乙烯、和煤化工业等行业得到了广泛的应用。然而我国的干气密封产品长期以来 主要依赖进口，干气密封技术的研究以及产品的开发尚处于起步阶段，还未建立 起一套完整的干气密封产品设计、开发以及制造体系。因此，开展气体润滑密封 技术的研究对于提高我国密封技术的整体水平，具有重要的现实意义，这对干气 密封的设计、制造以及稳定长周期运行具有重要的学术价值和工业应用前景。 以干气密封为研究对象，对干气密封槽内润滑气膜流动特性进行研究，从理 论研究和实验验证两个方面来研究干气密封槽内气体的动力学特性，分析槽形参 数和操作操作参数对密封性能的影响与影响程度，以期寻求密封端面性能最佳的 槽形参数。 应用s o l i d w o r k s 软件建立螺旋槽干气密封三维立体模型，应用f l u e n t 前处理 g a m b i t 软件对该模型划分网格，应用f l u e n t 软件对螺旋槽干气密封特定工况下的 内部微间隙三维流场进行数值模拟，得到了流场的压力分布，速度分布以及泄漏 量，通过与文献中的实验结果的比较和分析，所得流场数据与文献中实验结果吻 合较好。改变操作参数再次模拟，得到了不同参数下流场的压力分布及泄漏量， 并分析了操作参数对螺旋槽干气密封的影响，为螺旋槽干气密封的优化设计提供 了参考。 应用f l u e n t 软件对t 型槽特定工况下润滑气膜流动场进行模拟，得到流场压 力分布。比较该槽形与螺旋槽所产生的动压效应，表明螺旋槽的动压效应优于t 型槽。 在成都一通密封有限公司的1 8 0 0 0 转分高速离心压缩机密封实验台上对串 联式离心压缩机y t g c t i i 型螺旋槽干气密封系统进行了实验研究。完成了气体 端面密封实验台的测试系统的总体方案设计，测试系统的硬件配置。测试了泄漏 量，给出了气体端面密封实验的测试结果，并与理论模拟计算比较，进行误差分 析。结果表明实验数据与计算结果基本吻合，说明建立的干气密封端面间气体流 动场的力学模型和数学模型是正确的。 关键词：干气密封；螺旋槽；t 型槽；微尺度流场；数值模拟 a b s t r a c t t h eg r yg a ss e a l ，n a m e l yd o e st h en o n c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lr e v o l v m gb y 2 a sl u b r i c a t i n g r e a l i z e d t h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n f o r t h ef i r s tt i m ef r o mt h e 19 7 0 s ，t h eg r yg a ss e a la p p l i c a t e di nr e f i n e r yi n d u s t r y ，f e r t i l i z e ri n d u s t r y , e t h y l e n e a n d c o a lc h e m i c a li n d u s t r ya n ds oo ni nd o m e s t i ca n df o r e i g nb yi t s 1 0 wi e a k a g e 、l o w e n e r g yc o n s u m p t i o n 、l o n gl i f e b u td r yg a ss e a lp r o d u c t s i no u rc o u n t r yh a v er e i l e d m a i n l vo ni m p o r tf o rl o n g ，a n dt h ed r yg a ss e a lt e c h n o l o g yr e s e a r c h a sw e 儿a st n e p r o d u c td e v e l o p m e n ti s s t i l la t t h es t a r ts t a g e ，a n da s e to fc o m p l e t e l yd r yg a ss e a l p r o d u c td e s i g n ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h e m a n u f a c t u r es y s t e mh a v en o ty e t b e e n e s t a b l i s h e d t h e r e f o r e ，c a r r y i n go u tg a s s e a ll u b r i c a t i o nt e c h n o l o g ys t u d yh a s 锄 i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n g o b ro v e r a l ll e v e lo fs e a l i n gt e c h n o l o g y ， w h i c hh a sa ni m p o r t a n ta c a d e m i cv a l u ea n d t h ep r o s p e c t sf o re n g i n e e r i n ga p p l l c a t l o n f o rd r yg a ss e a ld e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n do p e r a t i n gs t a b l ea n dl o n gp e r l o d r e s e a r c h i n gf l o wf e a t u r e sf o rd r yg a ss e a lg r o o v el u b r i c a t i n gg a s o u s t i l mb yd r y g a ss e a lo b j e c t s ，w h o s eg a s o u sf i l md y n a m i cp r o p e r t i e s a r es t u d i e db yt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c ea sw e l l a si n f l u e n c ed e g r e eo fg r o o v e 。s o p e r a t i n ga n dg e o m e t r i cp a r a m e t r e s o nt h es e a lp e r f o r m a n c ea r ea n a l y s e d ， i no r d e rt o f i n do u to p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n d o b t a i ni t so p t i m u mv a l u e s - t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h r e e d i m e n s i o nm i c r o s c a l e f l o wf i e l d1 ns p l f a l g r o o v eg a s s e a l sa r em a d eb yu s i n gt h r e e d i m e n s i o n f l o ws o l v e rc f d t h e t h r e e d i m e n s i o nd i o r a m ao fs p i r a lg r o o v ei sb u i l tb ys o l i d w o r k s ，t h eg n d l sc u r v e du p b yg a m b i tt h a ti sp r e t r e a t m e n ts o f t w a r eo f f l u e n t t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 、 v e i o c l t y d i s t r i b u t i o na n dl e a k a g ea r eo b t a i n e di ns p e c i a l l yo p e r a t i o ns t a t u s i ts h o w s t h a tt h e n u m e r i c a lr e s u i t so ft h ef l o wf i e l da g r e ew i t h t h ee x p e r i m e n td a t et h r o u g h v a l i d a t i o n t h u s t h er e s u i th a st h ei n s t r u c t i v em e a n i n g sa n dp r a c t i c a lv a l u e s a l s o ，t h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dl e a k a g ei nd i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d f i n a l l y t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fo p e r a t i o np a r a m e t e r si nt h es p i r a lg r o o v e a r ea n a l y z e d t h e r e f o r t h er e f e r e n c e st oo p t i m u md e s i g no ft h es p i r a lg r o o v eg a ss e a lw e r ep r 0 v 1 d e n 。 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl u b r i c a t i n gg a s o u sf i l m f o rt - s h a p eg r o o v ed r yg a s s e a li ns p e c i a l l yo p e r a t i o ns t a t u s i sm a d eb yf l u e n t t h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o n1 s o b t a i n e d t h ed y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t sb e t w e e ns p i r a lg r o o v ea n dt - s h a p eg r o o v e a r e c o m p a r e d ，i ts h o w s t h a tt h ep r e s s u r ee f f e c to fs p i r a lg r o o v eb e t t e rt h a nt h ep r e s s u r e e f f e c to ft - s h a p eg r o o v e i i 硕士学1 = 奇：论文 舅ii i i- - 暑鲁量鼍_ 皇_ 皇= 篇 t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fay t g c t i it y p eo fg r o o v ed r yg a ss e a li s c o n d u c t e do nt h e18 0 0 0 r m i nh i g h s p e e dc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r t e s td e v i c ei n c h e n g d uy i t o n g s e a lc o ，l t d t h eo v e r a l lp l a no fi n s t r u m e n t a t i o ns y s t e ma n d h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na r ef i n i s h e d 。t h el e a k a g e sa r eo b t a i n e d t h er e s u l t e r r o r s b e t w e e nt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t ea r ea n a l y z e d c o m p a r i n gd a t a sf r o me x p e r i m e n t s w i t ht h a to fn u m e r i c a ls i m u l a t e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en u m e r i c a lr e s u l t so ft h e f l o w6 e l da g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t e st h r o u g hv a l i d a t i o n t h u st h ed y n a m i c a l a n dm e t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg a sf o l wf i e l db e t w e e n s e a lf a c e si sv a l i d a t e d c o r r e c t l y k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ；s p i r a lg r o o v e ；t - s h a p eg r o o v e ；m i c r o _ f l o wf i e l d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l l i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：o 鸪南 日期：_ 年歹月，1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：i 号岿南 导师签名：j , , m z 日期： 日期：日日 吖 月月 万 年年 彳7 硕七学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 1 1 1 密封在石油化工设备技术中的重要性 在过程工业中，有的过程属于化学变化过程，有的过程是将物料进行物理处 理的过程，其中绝大多数过程是在液相或气相中并在一定的压力和温度条件下进 行的，因此大多数机器和设备本身以及它们之间的连接系统都存在一个流体( 气 体、液体或粉体) 的密封性问题【l 】。机器设备若不能保证密封，因工作介质跑、 冒、滴、漏引起的物质的流失、能量的损失、产品质量的下降、设备的损坏、环 境的污染，从而损害工作人员的健康，甚至会酿成火灾、引起爆炸、造成停产、 直接危及人身安全，带来巨大的经济损失。 目前国内的大型压缩机，全部为气体端面密封。但气体端面密封主要依赖进 口( 包括零部件备件等) ，费用很高，而每台密封进口需上百万甚至数百万。因此 气体端面密封的开发研究工作刻不容缓，并建立和完善气体端面密封的测试、实 验系统，满足不同工况下的各类密封的使用和维修的要求，不仅可以节约大量外 汇，同时面向整个国内市场的生产需求，产生更大的经济效益和社会效益。 1 1 2 研究干气密封技术的必要性 现在，非接触机械密封已被离心气体压缩机、泵类、涡轮发动机、鼓风机以及 混合器搅拌器与变速器等所有干运行旋转机械所采用，因为它“带给用户的利益 是改善了旋转设备的安全性、增加了节省、提高了对环境的保护，是达到s t l e s p 3 0 ，3 2 ，3 3 等易挥发物( v o c s ) 逸出量控制规定指南标准、维护人类可持续发 展的“绿色技术 【2 弓】。由理论分析及实验检验发现，唯独螺旋槽形的理论推导严 格、压力分布均匀，其流体动力升起的浮动主环动态跟踪性好，所以它成为非接触 转轴密封中最优秀的技术【4 1 。 干气密封解决了多年来机械密封一直不能干运转的难题。这种密封采用气体 作为密封介质，是一种非接触式新型轴端密封。相对于传统的接触式机械密封， 这类密封具有以下优点：运行无磨损，功耗小；泄漏量小，可实现零泄漏或者零 逸出。越来越多的泵、压缩机、膨胀机和气体透平机等旋转机械采用了此类密封。 干气密封内部气体流动的气膜平衡间隙尺度( 典型值3 5p m ) 为微米级。显 然，间隙微小变化极有可能导致动静密封环间的干摩擦或泄漏量增大，因而保证 千气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟 气膜稳定性是干气密封可靠运行的关键。而气体端面密封的稳定性和可靠性与其 动力学特性密切相关，其动力学特性的研究一直是国内外研究的热点和难点【5 】。 影响干气密封性能的主要因素有：端面开槽的形状、槽形的几何参数以及操 作参数。目前最常用的端面槽形是螺旋线形，j o s e fs e d y 也证明了螺旋槽是最适 合于千气密封的槽形【6 j 。然而，在工程实践中，有些螺旋槽干气密封并没发挥出 它的最大优势，其原因主要是槽形几何参数选择不合理，没有实现槽形几何参数 的最佳组合。为此，本文以螺旋槽干气密封为研究对象，对螺旋槽干气密封流体 润滑膜的流动特性进行研究，分析槽形几何参数对密封性能的影响及影响程度， 实现槽形参数的最佳组合，这对螺旋槽干气密封的设计、制造以及安全、可靠、 稳定和长周期运行具有重要的学术价值和工程应用前景。 1 2 国内外研究历史与现状 1 2 1 国外研究历史与现状 1 2 1 1 理论与实验研究 螺旋槽干气密封是基于螺旋槽轴承理论而发展起来的。螺旋槽轴承理论始于 上世纪二十年代，l9 2 5 年，德国的l g u m b e l 首次提出螺旋槽止推轴承的概念。 由于计算机水平的限制，人们对此问题的分析都采用的是近似解析方法【7 1 。上世 纪四十年代，w i p p l e 对螺旋槽主推轴承的理论进行了探讨，提出了压力线性分布 假设，研究了等间距排列的平面平行槽与平板间的流体流动，发展了w i p p l e 轴 承理论1 8 。1 9 5 1 年，w i p p l e 提出了一种理论，用于解可压缩或不可压缩流体的基 本动力润滑方程，即w i p p l e 窄槽理论。19 6 3 年，v o h r 和p a n 拓展了w i p p l e 的 窄槽理论，将其应用于非平行板上带有非平行直槽的轴承，导出了任意槽的压力 分布微分方程，并考虑了瞬态效应的影响【9 1 。19 6 7 年，e a m u i j d e r m a n 通过修正 大的槽台间隙比，采用电模拟方法，提出了环境边缘效应修正的近似理论【l0 1 ，1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n 在w i p p l e 模型的基础上，采用复变函数保角变换理论将螺旋槽 模型转化成平行直线槽模型，并重点考虑了槽端部的影响，提出了较完整的螺旋 槽轴承理论】。w i p p l e 和m u u i j d e r m a n 的方法，只研究了层流、稳流的流体流动 规律。19 6 9 年g a r d n e r 应用解析法研究了结合流体静压原理和动压原理的弧形螺 旋槽端面非接触式机械密封【1 2 】。同年，j o h nz u k 等利用有限差分法计算了螺旋槽 机械密封的流场和压力场，分析表明当槽深与槽宽之比小于1 8 时( 一般的浅螺 旋槽机械密封均能满足此条件) ，横截面涡流的影响可以忽略【”1 。1 9 7 3 年g a r d n e r 实验研究了水润滑螺旋槽机械密封的性能，并将研究结果应用于潜水泵【1 4 】。1 9 7 4 年，h s i n g 利用摄动理论开始研究螺旋槽流体流动的轴向和径向动态特性【1 5 】。 可以认为，从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代初，可认为是处于流体动压型机械密 2 硕十学何论文 封机理探索和研究阶段，这为随后的工业应用打下了良好的基础。 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着计算机技术的飞速发展，尤其是在计算机的计 算速度和存贮能力得到大幅度提高以后，借助计算机，人们能够比较精确地模拟 密封端面间气膜的流场，这为螺旋槽干气密封的开发、设计提供了重要手段。1 9 7 4 年螺旋槽干气密封首次成功地应用于炼油厂的透平膨胀机上，标志着其工业应用 的开始【l6 1 。1 9 7 9 年r a l p hp g a b r i e l 发表了螺旋槽气体润滑机械密封的重要文献 “f u n d a m e n t a l so fs p i r a lg r o o v en o n c o n t a c t i n gf a c es e a l s ”1 1 7 j ，( 该文作为经典文 献于1 9 9 4 年重新发表) 。它总结了螺旋槽气体润滑机械密封发展到当时的典型结 构，解释了密封操作的基本原理，阐述了操作条件和设计参数对密封性能的影响。 2 0 世纪8 0 年代中期以后，国外螺旋槽干气密封已基本成熟，被广泛应用于 离心式压缩机等高速旋转机械上。但研究仍在不断深入，1 9 9 4 年，c l i e n i c h e 等人 采用有限差分法求解了开槽机械密封含湍流影响因子的流体动力润滑方程。1 9 9 5 年，k o w a l s k i 用有限差分法计算并设计了能反转的螺旋槽干气密封【1 8 1 。端面槽形 从仅能单向旋转的螺旋形发展到具有反转特性的单向螺旋形，以及能双向旋转的 组合螺旋燕尾槽。同时，新材料在端面密封技术领域得到广泛应用，密封端面材 料从传统的碳化钨发展到导热性能更好并且容易于制造的表面渗氮和渗硼铁基合 金【1 9 1 。 1 2 1 2 国外干气密封产品的设计、开发及应用 1 9 6 8 年，j o h nc r a n e 公司在加德纳研制并实验出圆弧面螺旋槽非接触式机械 密封，获得美国专利3 4 9 9 6 5 3 。该公司从2 0 世纪7 0 年代初期开始，陆续推出其 适用于离心压缩机的2 8 型系列干气密封。目前，2 8 型系列有2 8 l d 、2 8 、2 8 a t 和2 8 n e 四种基本型式【2 0 1 。2 8 l d 适用于低压、中速的工业风机、气体传送装置； 2 8 适用于小直径管线和离心压缩机；2 8 a t 适用于高速、高压的大直经管线和离 心压缩机：2 8 n e 适用于蒸汽透平、透平膨胀机和其它高温设备。在四种基本型 式中又分成不同的密封系列，如单端面、双端面和串联式。可以根据不同的气体 种类、设备类型、操作条件和安全性要求来选择。单端面型主要用于输送空气、 氮气和二氧化碳等即使有少量气体泄漏到大气中也没有危害的场合。双端面型用 于对环境有污染的不允许泄漏到大气中或介质不稳定或有负压危险的场合。串联 式普遍用于压力超过了单端面所能承受的能力或在内侧作为第一级主密封，在外 侧作为第二级备用密封的场合。除了离心式压缩机用干气密封，j o h nc r a n e 公司 还推出了泵用干气密封系列和反应釜和搅拌器用干气密封系列。到1 9 8 5 年，螺旋 槽干气密封已获得了广泛的商业应用。目前，该公司的2 8 型系列干气密封已经成 为一种工业标准配置，被广泛应用于石油化工等行业。 除j o h nc r a n e 外，国外比较著名的开发、生产干气密封产品的公司还有像美 干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟 国的f l o w s e r v e 公司、德国的b u r g m a n e 公司以及日本的e k k 公司。f l o w s e r v e 公 司现有g a s p a c 系列压缩机用干气密封产品，具有槽形独特，辅助密封可靠的特点。 b u r g m a n e 公司已经开发出了c g s 泵用干气密封、a g s 反应釜、搅拌器用干气密 封以及d g s 压缩机用干气密封。 2 0 世纪9 0 年代后，j o h nc r a n e 和b u r g m a n e 公司成功推出了适用于双向旋转 的干气密封产品【2 l l 。 1 2 2 国内研究历史与现状 1 2 2 1 理论与实验研究 我国在上世纪8 0 年代中期，可是逐步引进国外干气密封技术，应用于大型离 心式压缩机。通过实践证明，干气密封具有非常明显的优势。同时，国内有关的 研究机构也相继对干气密封进行了一些研究。1 9 9 0 年，王美华用三角形单元有限 元法计算了人字型槽机械密封端面间的压力场，并随后发表了其热变形及力变形 的计算结果【2 2 1 。1 9 9 1 年，王建荣、顾永泉等用普遍有限元法计算了圆弧槽气体密 封的特性【2 3 1 。1 9 9 4 年，蔡文新等用八结点有限单元法计算了螺旋槽气体密封的压 力1 2 钔19 9 5 年，彭建等也采用八结点有限单元法计算了螺旋出气体密封的压力， 并进行了部分参数优化【2 5 1 。1 9 9 6 年，胡丹梅的功能采用八结点有限单元法计算了 直线斜槽气体密封的压力分布和密封性能【2 6 1 。1 9 9 9 年，刘雨川采用有限单元法计 算了螺旋槽气体密封的压力、温度以及变形【27 1 。2 0 0 2 年，林培峰对螺旋槽气体端 面密封气膜间的压力场分布进行了有限元分析并开发了专门的有限元软件，得到 了螺旋槽气体端面的气膜压力场，并且讨论了密封的几何参数和工作参数对压力 场的影响【2 引。2 0 0 2 年，李双喜对螺旋槽气体端面密封的动态热性进行了分析，得 到了端面气体密封的扰动特性的l8 个动态参数，讨论了螺旋槽气体密封几何参数 和工作参数对密封动态性能的影响【2 9 1 。2 0 0 3 年，李子涛在林培峰的研究基础上对 t 型槽气体端面进行了有限元分析，得到了t 型槽气体端面密封的压力分布1 3 0 】。 2 0 0 4 年，陈伟进行了螺旋槽气体端面密封环稳态温度场的有限元分析，得到了螺 旋槽气体端面密封的温度场分布，讨论了密封的几何参数和工作参数对温度场的 影响【3 1 1 。 目前，北京化工大学的蔡纪宁，张秋翔等人在干气密封实验研究及动态稳定 性分析方面做了些工作，发表了螺旋槽端面干气密封的参数研究，高速螺旋 槽气体密封轴向微扰的有限元分析的论文。上海交通大学动力机械工程学院的 王彤博士将微尺度效应理论应用于螺旋槽干气密封的流动中，在工程热物理学报 上发表了微尺度效应对螺旋槽干气密封的影响的论文。这对干气密封技术的 应用具有十分重要的指导意义。 4 硕十学位论文 1 2 2 2 干气密封产品的设计、开发和应用 尽管干气密封在国外已经运行了很多年，但在我国大量使用干气密封还在2 0 世纪8 0 年代中期，进口大型化肥装置中部分透平压缩机以及大型高压离心泵，开 始采用以美国j o h nc r a n e 的2 8 型为代表的干气密封，替代了传统的迷宫式密封 和接触式密封。如河南中原、辽宁锦西、内蒙化肥厂、重庆建峰化肥装置中的c 0 2 压缩机组高压缸就采用了j o h nc r a n e 的2 8 a t 型单端面干气密封。9 0 年代同期引 进的天华、海南、九江、内蒙、兰州化肥装置中离心式高压液氨还采用了j o h nc r a n e 的2 8 v l 型串联式干气密封。 我国上世纪9 0 年代初才开始进行进口干气密封的国产化研究以及开展具有自 主知识产权的干气密封产品的开发和研制。 天津鼎铭密封有限公司的两个产品已于1 9 9 9 年4 月获得了国家专利，并且多 项产品在石化行业得到应用【3 2 1 。 1 9 8 8 1 9 9 0 年，石油大学( 华东) 顾永泉、王建荣等首先研制和实验了泵入 式圆弧槽气体端面密封，获我国国家实用型专利9 2 2 0 3 1 5 9 2 。 1 9 9 2 1 9 9 4 年，国内一些机械密封生产厂家开始试制干气密封产品，并通过 上机实验合格后投放市场并获得成功。其中，天津鼎铭密封公司利用王玉明院士 的专利技术研制了第一套国产干气密封装置，于1 9 9 6 年底在燕山石化首次应用成 功，替代了原来从国外进口的密封装置。该公司先后开发出了t m 0 2 a ，t m 0 2 b ， t m 0 2 c 和t m 0 2 d 四种型号的干气密封产品 3 3 1 ，已应用于全国大型石化公司。填 补了国内离心式压缩机用于气密封的空白。 1 ) t m 0 2 a 型单端面干气密封：当被密封的工艺介质无毒、无害、压力为中、 低压，允许少量泄漏到大气中时，可以选用此种形式的密封。 2 ) t m 0 2 b 型双端面干气密封：当介质为不允许泄漏到大气中的危险气体， 但允许隔离气体( 如氮气) 少量进入到工艺介质中，可以考虑选用。 3 ) t m 0 2 c 型串联式干气密封：适用于各种压力、危险性气体密封场合。 4 ) t m 0 2 d 型中间带直筒的串联式干气密封：这类密封适用于既不允许工艺 介质泄漏到大气中，也不允许隔离气体泄漏到介质中的场合。 1 3 发展趋势 i ： 螺旋槽干气密封技术不仅给密封技术领域里带来了一场革命，使得长期以来 普通机械密封不能在小泄漏量下长周期运行这一困扰人们的难题得以根本解决。 螺旋槽干气密封与磁力轴承配套使用，使鼓风机和压缩机的无油化、微型化成为 现实。 上世纪八、九十年代，螺旋槽干气密封的理论研究主要是以提高密封本身的 干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟 使用条件( 如压力、周速、温度、真空等) 和降低泄漏量为目的。综合目前其它 密封型式、气体轴承以及摩擦、磨损和润滑方面的研究现状，本人认为以下几个 方面将代表今后螺旋槽干气密封技术的主要研究方向。 1 ) 结构型式 开发具有密封补偿能力、高性能的新型结构，这是近几年来国外气体密封技 术发展的一个热点。这种结构的气体密封能够适应多种使用条件，并且泄漏量可 控制在非常低的水平。对于气体流程介质，由于其粘度为液体的1 1 0 0 0 ，即气膜 的刚度相应差10 。3 数量级，故气体密封必须旋转顺流泵汲的形式以追求高刚度， 而较大的泄漏量可通过密封系统的核力量组合来减少。 2 ) 开槽技术 螺旋槽干气密封产品制造的关键是密封端面上螺旋槽的加工。由于密封面上 动压槽非常浅，而且对槽深精度要求高，一般的机械加工是无法实现的。因此研 究开发低成本、高精度的开槽技术和加工工艺将成为提高螺旋槽干气密封性能， 降低产品价格的关键。目前，较为常用的开槽技术有电加工法、化学腐蚀法、电 化学腐蚀法、光刻法。随着激光技术应用的成熟和成本降低，高质量的密封槽将 越来越多地采用激光加工。这是因为激光加工不但能保证各动压槽深度一致，而 且能够加工任何形状的动压槽，利用计算机控制能保证很高的槽形加工精度。 3 ) 方程求解 在求解气膜内部物理量( 如压力、速度) ，计算密封性能参数以及密封的小扰 动解方面，一些新的有限元法如迎风格式的有限元法、p e t r o v g a l e r k i n 应用有限 元法【3 4 】和g a l e r k i n 最小二乘法【3 5 1 以及摄动理论计算方法将发挥重要的作用。 4 ) 密封设计 螺旋槽干气密封的设计通常是根据给定工况与要求，参照国内外同类或者类 似产品的结构型式初步选取参数，然后进行工作性能的计算，如果满足要求则设 计完成，不满足则改进参数甚至型式，直到满意为止。随着计算机技术的发展， 密封设计将由传统的设计方法发展到优化设计和运用专家系统设计。运用优化设 计和专家系统可有效地提高设计质量、水平和周期。 5 ) 实验研究 先进的实验手段、实验仪器和设备的引入将会促进人们对螺旋槽干气密封理 论及设计的新认识。 6 硕十学位论文 第2 章螺旋槽千气密封的基本理论 2 1 流体动、静压润滑 2 1 1 流体静压润滑 流体静压润滑是将带压介质引入到摩擦副的两表面之间，由于流体静压力的 存在，使得两摩擦表面分开或者部分分开，摩擦副因而得到充分润滑和冷却。与 液压和气动技术相结合，流体静压润滑已发展成为一门相对独立的技术，其成果 如静压轴承、静压导轨、静压丝杠等已在机床、动力机械、仪器仪表等工业部得 到了广泛的应用，并已取得了良好的经济效益。 1 ) 产生流体静压效应的类型 ( 1 ) 密封面由于受到机械( 力) 或温度( 热) 的作用而产生变形，形成径向 锥度而产生流体静压力。 ( 2 ) 密封面加工成各种形状深流槽而产生流体静压力，如图2 1 所示。 囱图囫圈臣圈豳圈 ( 叠)( b )( c )( d ) ( a ) 径向锥度；( b ) 凹槽；( c ) 台阶：( d ) 节流孔 图2 1 产生流体静压效应的密封面流槽形状 2 ) 各种流体膜( 静压垫) 的膜压分布 如图2 2 ，平行平面缝隙内流体的膜压沿x 轴( 径向) 呈线性分布，扩散倾 斜平面缝隙内流体的膜压沿x 轴呈凹形曲线分布，而收敛倾斜平面缝隙内流体的 膜压沿x 轴呈凸形曲线分布。由此可见，收敛倾斜平面缝隙内流体膜的承载能力 大于扩散倾斜平面缝隙内流体膜承载能力，而平行平面缝隙内流体膜承载能力居 。中【3 6 】。，； - 7 干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟 b pe 一一 ( a ) 平行平面( h = h l = h 2 ) ；( b ) 扩散倾斜平面( h 2 h 1 ) 图2 2 各种流槽径向缝隙内膜压力分布 2 1 2 流体动压润滑 流体动压润滑又叫做流体动力润滑，它是利用流体的粘附性使流体粘附在摩 擦表面，并在摩擦副做相对运动时带入两摩擦表面之间，当两表面形成收敛的楔 形间隙时，会产生一定的流体动压力，从而将两摩擦表面分隔开来，保持两摩擦 表面非接触，达到降低摩擦阻力、减少表面磨损，延长使用寿命，保证设备正常 运转的目的。 如图2 3 所示，固定平板 与运动平板之间形成收敛的楔 形，入口间隙为红，出口间隙 为，庇 i l ，即沿运动方向 上流体膜的厚度是逐渐变薄 的。当下板以速度u 沿x 方向 运动时，粘性流体被带入楔中。 由于粘性流体分子之间的内摩 擦阻力，使得各层间速度存在 一定的差异。以图中的三角形 面积表示体积流量，因为间隙 而， 的入口大出口小，为了满足流 动的连续性条件和机械能守恒 定律，必然要产生如图所示的 压力分布，此压力减小入口的流图2 3 楔形板内速度和压力分别 速而增加出口的流速，保证流过各截面的体积流量相等。 8 薰 硕士学何论文 产生流体动压效应的类型： ( 1 ) 密封面由于局部压力及热变形产生楔效应，从而产生流体动压力。 ( 2 ) 密封面加工成各种形状浅流槽( 如矩形槽、圆弧槽、螺旋槽和人字槽等) 而产生流体动压力。 ( 3 ) 由对中误差或角度误差而产生流体动压力。 ( 4 ) 由密封面的微观表面粗糙度而产生流体动压力。 2 1 3 流体静压润滑与动压润滑优缺点比较 流体静压润滑具有其它各种润滑形式无可比拟的优越性，如果设计得当，可 以完全避免磨损。与流体动力润滑相比，其主要优点在于【3 7 1 ： 不要求两表面间构成收敛间隙和足够的相对速度，相反地，其承载量和油膜 厚度均与滑动速度无关。 极好的油膜刚度。通过采用特殊的供油系统和节流装置，可以实际上使油膜 刚度为无限大，甚至可以设计的使油膜厚度在载荷增加时不但不减小，反而增加， 从而补偿其它零件的变形，使轴承获得很高的支撑精度。 很低的摩擦系数。对于大型轴承可以实现在全膜润滑条件下启动，以消除摩 擦力的影响，减小启动力矩。 静压润滑的主要缺点是结构复杂。加工困难，并要求配置可靠的供油系统。 动压润滑具有摩擦力小，加工容易，成本低廉等优点，但其可靠性不如静压 润滑。另外，因其润滑膜的建立依赖于表面的相对运动速度，所以在机器的启动 和停车时有一阶段不是全膜润滑，故不能完全避免磨损，设备一般也不能带载启 动。 2 2 螺旋槽干气密封的工作原理与受力分析 2 2 1 工作原理 如图2 4 ，它主要由加载弹簧、o 形圈、静环以及动环组成。静环和加载弹簧 被安装在静环座中，并依靠o 形圈进行二次密封。静环一般用较软的，有自润滑 作用的材料。如石墨制造，在弹簧等载荷的作用下，可沿轴向自由移动。动环依 靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。动环由硬度高、刚性好且耐磨的材料如碳化 钨、碳化硅制造。 9 干气密封情内涧滑气膜流动场的数值模拟 1 动环；2 静环；3 弹簧；4 静环座 5 ，8 ；0 形圈；6 转轴；7 轴套 图2 4 螺旋槽干气密封结构 如图2 5 ，螺旋槽干气密封设计的特别之处是在动环表面加工出一系列螺旋状 沟槽，深度一般为2 5 1 0 “坍。槽型线一般选用对数螺旋线，数学上可用以下方 程描述【3 8 】： 7 = 名p 8 舛= 矿删 ( 2 1 ) 式中： 乓起始半径；p 一角度坐标； 卢螺旋角。 图2 5 泵入型螺旋槽 工作原理可用图2 6 说明，缓冲气体( 可以是经过滤后的压缩机出口气、氮 气或惰性气体) 注入到密封装置，动、静环在流体静压力和弹簧力的作用下保持 贴合，起到密封的作用。当动环旋转时将被密封气体周向吸入( 泵吸作用) 槽内， 气体沿槽向槽根部运动，由于受到密封堰的阻碍，气体作减速流动并被逐渐压缩。 在此过程中，气体的压力升高，即产生了流体动压力。当压力达到一定数值时， 具有挠性支承的静环将从动环表面被推开，这样密封面之间始终保持一层极薄的 气膜( 厚度1 - - - 3 z m ) ，所形成的气膜一方面能有效地使端面分开，保持非接触， 另一方面又使相对运转的两端面得到冷却。同时，密封面间极小的气膜间隙有效 1 0 硕十学位论文 地控制泄漏到最低的水平。 图2 6 螺旋槽干气密封原理 2 2 2 受力分析 以静环为研究对象，对其作受力分析。 ( 1 ) 压缩机在停止运转时，作用于密封副上的力只有流体静压力。静环受两 个方向的力，如图2 7 所示。一个是使密封面闭合的力凡，它由弹簧力和静环后 面被密封介质压力p l 以及背压岛引起的力组成。 疋2 p , p a + p 1 4 + p 2 4 ( 2 2 ) 式中a 为密封面面积。另一个是使密封面开启的力只，它由作用在密封面上 的流体静压力引起。此时开启力小于闭合力，静环端面和动环端面贴合，起到静 态密封作用。 闭合力开稿力 p礞p1阏 p 1 一p 。 一 笏 _ 7 _ 鍪：瞄缓 _ - - _ - d l 一爿 】 。? _ p 2p 2 l ； r a 珞而 图2 7 流体静压力分布 ( 2 ) 在正常运转条件下，静环仍受到两个方向的力。闭合力由弹簧力和静环 干气密封槽内润滑气膜流动场的数值模拟 后面被密封介质压力a 以及背压见引起的力组成。开启力则由作用在密封端面上 的流体静压力和流体动压力引起，如图2 8 所示。当闭合力与开启力相等时，即 凡= e 时，密封处于平衡工作状态，动环与静环之间形成一个稳定的间隙。 闭合力艮 f c = f o p 1 歼裁如f d 图2 8 正常运转时气膜的压力分布 ( 3 ) 当受到外来干扰时，可能导致密封面之间的间隙改变。当间隙减小时， 由气膜产生的开启力显着增加，此时f c 只，密封间隙将减小，密封也会很快恢 复到平衡位置，如图2 9 ( b ) 所示。 闭合力恐 pl 器稿力f 0 p 2 ( a ) 间隙减小时气膜压力的分布 1 2 硕士学位论文 闭合力 f o 开启力f o p 1 ( b ) 间隙增大时气膜压力的分布 图2 9 间隙变化时气膜压力的分布 由以上的受力分析可见，螺旋槽干气密封系统具有自我调节的能力，这种自 我调节的结果使得动环和静环之间能自动形成一个稳定的带压刚性气膜，起到密 封作用，并且保证动环和静环之间非接触、无磨损，从而使密封具有较长的工作 寿命。 2 3 密封间隙内气膜流动状态 ( 1 ) 层流与紊流 雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数，表示的为流体流动的惯性力和 粘性力之比。 雷诺数；r e = 翮p u 2 = 等 ( 2 - 3 ) i “z 厂j 雷诺数r e 小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点 平行于管路内壁有规律的流动，呈层流状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地 位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数r e 4 0 0 0 为紊 流状态。r e = 2 0 0 0 4 0 0 0 为过度状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律， 流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速”和最大流速“一的比值也 是不同的。因为雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 对于高度为h 的密封间隙来说，其雷诺数可表示为： r e = 2 p u h i t ( 2 4 ) 如果粗糙面较为粗糙，特别当密封面开槽时，在雷诺数小于临界雷诺数 干气密封横内润滑气膜流动场的数值模拟 r e ，= 5 0 0 1 0 0 0 时，流动很快变成紊流。对于雷诺数作如下估计：对轴径的要求， 取其上限值12 0r a m ，密度p = 1 0 k g m 3 ，