（机械工程专业论文）离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究.pdf

摘要 本文重点介绍了干气密封的现状及发展趋势，指出了干气密封取代湿密封系统的必要性， 以及国内外对干气密封技术研究状况及具体的实践应用。给出了干气密封的特点及典型结构， 研究了螺旋槽单向泵入式密封的结构及特性。 简要介绍了干气密封的基本原理和一般结构，同时针对对数螺旋线形的特点，介绍了窄 槽理论对螺旋槽端面的压力分布计算，利用窄槽理论和有限元方法对螺旋槽干气密封端面维 构进行了优化，并得出了优化结果，根据这一结果，确定了具体的密封结构。 针对氢气压缩机的特点和具体的操作条件，利用窄槽理论对所设计的干气密封进行了殍 载力、泄漏量及膜厚的计算。指出了具体条件下膜厚、泄漏量及承载力的关系，并对干气密 封的载荷系数、弹簧力等进行了计算。 针对压缩机的具体特点，选择串联式密封结构作为具体的密封形式，并对密封面的材质 等特点进行了分析，合理设计了串联式密封形式的控制系统。 通过具体的实践应用，验证了所选密封的合理性及方案的可行性。为今后干气密封的应 用与推广提供了宝贵的经验。 关键词：干气密封：螺旋槽：离心氢压机 a b s t r a c t t h e p a p e r i n t r o d u c e sc u r r e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n t t r e n do f d r y g a ss e a le s p e c i a l l y a n dp o i n t so u ti ti sn e c e s s a r yt or e p l a c eh u m i ds e a ls y s t e mb yd r yg a ss e a l a tt h es a m e t i m et h et e c h n i c a lr e s e a r c hs t a t ea n dt h ea p p l i c a t i o no f d r yg a ss e a la r ei n t r o d u c e db o t ha t h o m ea n da b m a dt o o i t sc h a r a c t e r i s d ca n dt y p i c a ls t r u c t u r e sa r eg i v e n a n dt h es t r u c t u r e a n dc h a r a c t e r i s t i co f t h e s p i r a lg r o o v es e a lo f t h e u n i l a t e r a lp u m p p a t t e r n a r ed i s c u s s e d t h eb a s i cp r i n c i p a la n dg e n e r a ls t r u c t u r eo f d r yg a ss e a la r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n d a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o g a r i t h ms p i r a lc u r v e ，t h ec a l c u l a t i o no f t h ep r e s s u r et ot h e s p i r a lg r o o v ee n ds u r f a c eb y t h et h e o r yo fn a r r o wg r o o v ea r eg i v e n t h em e t h o do f n a r r o w g r o o v et h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o da r eu t i l i z e dt oo p t i m i z et h ee n ds u r f a c es t r u c t u r e o ft h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l t h es t r u c t u r eo ft h es e a li sc o n f i r m e do nt h eb a s eo f t h e r e s u l t a p p o i n t i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t i n gc o n d i t i o no fh y d r o g e nc o m p r e s s o r , t h e c a r r y i n gc a p a c i t y , t h el e a k a g ea n dt h ef i l mt h i c k n e s so f t h ed r yg a ss e a la r ec a l c u l a t e db y t h et h e o r yo fn a r r o wg r o o v e t h er e l a t i o no ft h ef i l mt h i c k n e s s ，t h el e a k a g ea n dt h e c a r r y i n gc a p a c i t yo f t h er e a c t i o n si np r a c t i c a lc o n d i t i o na r ep o i n t e do u t i th a sc a l c u l a t e d t h el o a dc o e f f i c i e n ta n ds p r i n gs t r e n g t ha n ds oo n o nt h eb a s eo f p r a c t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o m p r e s s o r , t a n d e ms e a li sc h o s e n t h e n t h em a t e r i a la n dt h es p e c i a l t yo ft h es e a ls u r f a c ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mo f t a n d e ms e a li sd e s i g n e d t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es c h e m ef o rt h es e l e c t e ds e a la r ev e r i f i e db yt h e a p p l i c a t i o n t h ev a l u a b l ee x p e r i e n c ei sp r o v i d e df o rt h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no f d r yg a s s e a li nt h ef u t u r e k e y w o r d ：d r yg a ss e a i ：s p lr a lg r o o v e ：h y d r o g e no e n t r i f u g a ic o m p r e s s o r 离- t l , 氢压机螺旋槽干气密封技术及苴应用研究 1 绪论 1 1 干气密封的研究现状与发展趋势 随着石油化工以及能源工业的发展，作为行业心脏部分的离心压缩机的应用日趋 广泛。这使得对离心压缩机的轴封要求越来越严，随之而来的就是如何解决这些高速 运转设备的轴封问题。从离心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 ) 迷宫密封加抽气密封；( 3 ) 液体浮环密封；( 4 ) 液体机械密封： ( 5 ) 干气密封。 迷宫密封泄漏量大，不仅使设备效率下降，而且浪费原料，目前在国内外的离心 式压缩杌上已经基本停止使用，只有一些工厂采用迷宫密封加上抽气系统使用在一些 旧型号腿缩机上。国内目前使用较多的是浮环密封，以及浮环密封与机械密封组合， 或者是双端面的机械密封，也通称为湿密封系统。湿密封系统主要通过高压润滑油来 达到密封的目的。这种密封有一个很大的缺点，要求有复杂的封油系统，不仅能量损 耗大，而且一旦密封失效，很容易引起封油系统污染，造成机组停车或不能使用。所 以，如何有效地解决离心式压缩机的轴封成为用户和生产厂家共同关心的问题。随着 人们对气体润滑技术的研究开发，在二十世纪六十年代出现了气体润滑的非接触式机 械密封，即干气密封技术。它使用寿命长( 设计寿命四年) ，工作稳定可靠，而且又 不需要封油系统，结构简单l 。 干气密封的概念是二十世纪六十年代末从气体润滑轴承的基础上发展起来的，其 中典型代表是螺旋槽密封【”】。经过数年的理论研究与实践，二十世纪七十年代中期商 用于气密封在美国成功地应用于达到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 - 4 ) 0 0 2 m 3 s t “。随后，约翰克兰公司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。新墨西哥大学的 a o l 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。德国伯格曼公司对双向螺旋槽和t 型密封进行了研究，使用效果很好。 随着干气密封技术的不断发展，我国在9 0 年代后期，开始逐步引进国外干气密 封技术，应用于大型离心压缩机。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。中国石油大学在顾永泉 教授等人的带领下，发表了一些关于干气密封原理和设计理论的研究。四川密封技术 研究所的彭建、北京化工大学机电工程学院的林培峰等人。也对螺旋槽干气密封的优 化设计发表了研究论文。文中采用有限元法对干气密封进行了分析计算，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 6 】 7 川】。这对干气密封技术的应用具有十分重要的指导意义。 在干气密封技术的应用方面，伯格曼公司和克兰公司也相继在国内一些大型的压 缩机上使用了他们的产品，取得了很好的效果。但由于其价格偏高，给干气密封在国 内企业的应用带来一些困难。天滓鼎名密封公司在1 9 9 9 年末，使用自行设计的干气 密封装置应用于在国内一些离心式压缩机上，取得了成功，为我国干气密封技术国产 化做出了一些贡献。 由于干气密封具有浮环密封等无法比拟的优点，目前国内的一些企业也把离心式 压缩机轴封的重点放在干气密封上。一些新型离心式压缩机的轴封都采用干气密封形 式，同时一些原来为浮环密封的压缩机组也逐渐改造为干气密封形式，而且改造后的 使用效果很好。因此，千气密封技术的发展已成为一种趋势。国内一些企业研制的干 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 气密封已经形成了自己的系列产品，应用范围越来越大。国内一些大学，如北京石油 学院、北京化工大学等一些院校也在理论上对于气密封进行研究，取得了坚实的理论 基础。 由于干气密封技术的发展，也有些机构在研制和使用液体润滑的螺旋槽端面密 封，应用于运行条件比较苛刻的泵和透平压缩机上，密封效果也非常理想。同时，针 对不同操作条件的干气密封结构也在研究和使用当中，使干气密封技术的使用范围不 断扩大，密封技术越来越成熟，应用越来越广，效果越来越明显。 1 2 气体螺旋槽干气密封的研究概况 1 2 1 关于气膜流态的研究 密封面间的气膜，在推导各种方程时都假设为层流。但在高速时，其流动状态可 能发生变化，可以是过渡状态的流动，或超音速流等。有文献报道，窄间隙亚音速层 流时密封面的稳定性最好。大间隙时就会不稳定，并易引起流动由层流向紊流的转变， 且在出口产生音速的流动，从而产生振动，使密封面遭到破坏。 1 2 2 关于工作状态及稳定性的研究 由于轴承的稳定性要求与机械密封一致，所以，基本上以轴承稳定性研究得到的 结论作为设计气体螺旋槽干气密封的依据。 对工作状态的研究主要有以下几个方面： 偏心对密封性能的影响；密封面倾斜的影响：密封面变形的影响。 同前，对这三者的研究主要以试验为主，尚未建立数学模型来讨论这些工作状态下密 封性能的变化规律。试验证明：偏心、密封面倾斜及热变形都对密封工作特性有很大 的影响，为减小这三者的影响，主要采取以下措施： ( 1 ) 提高安装精度 ( 2 ) 采用自对中原理和设计来设计密封 1 2 2 1 保证气膜稳定性的自调机构 最理想的是静环与动环始终保持平行，但实际上都有各种角度产生。通常压力变 形导致密封面外径处接触的可能性，而热变形导致密封面内径处接触可能性。前者产 生发散气膜，后者产生收敛气膜。密封面上压力分布的变化可补偿这两种情况，重新 调节密封面以保持气膜的稳定。 图1 1 发散间隙 f i g l 1t r a n s p i r ec l e a r a n c e 2 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其心用研究 图1 1 表示角度变化产生发散气膜时所发生的情况。角度变化使得静环的外部 一半靠近动环，因而产生动压力增加。相反，内部一半的间隙增加从而使动压力减少， 平行气膜和发散气膜之间的压力变化产生了一个围绕环心“c ”的扭矩，这个扭矩将 恢复静环和动环的平行状态及设计运行间隙。类似地，如果角度变化产生个收敛问 隙，则由此产生的压力分布变化也会使密封面恢复平行。如图l 一2 所示： 收敛叫俸装 图1 2 收敛间隙 f i 9 1 2c o n v e r g e n c e c l e a r a n c e 也就是说，一旦通过设计确定了运行间隙并实际校准了，螺旋槽就能在其应用条件下， 对可接受的正常移动情况、保持气膜稳定性，但不能超出其运行极限。 1 2 2 2 绝热设计 由于气体导热系数小，摩擦面产生的热不能及时散出，使气膜与密封面间产生热 传导，从而使密封面产生热变形，影响表面间的压力分布。另外，试验证明，磨损主 要出现在槽台区，而密封坝区无磨损。这是由于气膜压降主要出现在密封坝区，气体 在该区膨胀并带走大量的热，从而密封坝处的温度低，变形小，这样易造成密封面倾 斜，承载能力及刚度降低。为克服这一缺点，( 1 ) 增加密封坝的宽度；( 2 ) 使气体温 度从t i 升到t g 所需热量等于密封面相对运动时对气体的剪切热，并称这一设计为绝 燕设计。 1 3 本文的主要工作 文献( 不同模型气体端面密封研究) 及文献( 圆弧槽气体端面密封的研究) 对干 气密封进行了理论计算，对密封面结构进行了优化，形成了比较成熟的理论计算方法， 为指导今后密封设计、开发做出了重要贡献。但是，理论研究的目的是作用于实践， 只有在理论的基础上，经过具体的工作实践，才能使理论更为成熟，实践更为完备。 目前，国内石化、化工行业的各种大型设备都急需从密封技术上进行技术改造和创新， 干气密封在离心压缩机的应用研究，无疑为其在具体实践过程中提供了一些参数，对 提高干气密封的稳定性和可靠性以及把这一新兴技术加以推广，具有广泛的指导意 离心氧压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 义。 本文首先对干气密封的研究状况及发展趋势做了简要介绍，针对于气密封的特点 及典型结构进一步对螺旋槽干气密封的结构和基本理论进行了研究。针对氢气压缩机 的具体特点和条件，对螺旋槽干气密封的结构形式进行了设计与计算。选择串联式干 气密封作为离心氢压机的密封结构，对密封形式、材质和制造等特点进行了分析与研 究。通过具体的应用，验证了干气密封理论的可靠性，从而使螺旋槽干气密封技术得 以推广。 本文第一章主要是课题的背景和综述，介绍干气密封的研究现状与发展趋势，以 及气体螺旋槽干气密封的研究概况。 奉文第二章介绍了几种典型的干气密封结构与特点。具体介绍了螺旋槽干气密封 的结构优化与设计依据。从理论上定性分析了螺旋槽干气密封的槽形特点。 本文第三章针对具体的氢气压缩机的使用条件及工艺参数，利用优化后的结果设 计并核算了具体条件下螺旋槽干气密封的泄漏量、承载力及膜厚，对密封的一些主要 附属部件也进行了相应的计算与分析。 本文第四章利用核算后的结果，对氢气压缩机干气密封的整体结构、密封形式及 工艺进行了分析与研究，合理设计了氢气压缩机的密封工艺系统，提出了许多切实可 行的办法。 本文第五章对螺旋槽干气密封的主要部件进行了对比及选择，根据使用条件合理 选择了密封件的材质，并通过具体的制造及应用过程，对螺旋槽干气密封的实际应用 进行了检验。 本文第六章通过具体的应用与研究，得出了干气密封与其他密封形式相比所具有 的优越性。并对本文的主要工作进行了归纳和总结，指出了今后进一步的研究内容和 方向。 4 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 2 螺旋槽干气密封的基本原理和设计理论 2 1 干气密封概念与形式 干气密封也称为气体端面密封。干气密封的作用原理是在密封面上开定形式的 浅槽，两个密封端面做相对转动时，通过浅槽产生流体动压效应，在力的作用下两个 摩擦副之间形成很薄的一层气膜，从而使密封工作在非接触状态下。因为密封面不发 生接触，所毗密封产生的摩擦热很小，保证了两个密封面的气体润滑，密封的寿命很 长。由于密封面的气膜间隙q t i d , ( 一般为几微米) ，所以造成的气体泄漏很小。密封 端面的气体一般为缓冲气，产生的流体动压力又阻碍了介质气的泄漏，从而达到了气 体密封的目的。由于干气密封不需要复杂的封油辅助系统，成本及维护费用降低，因 此，干气密封是今后气体密封的发展方向。 2 2 干气密封的特点及种类 2 2 1 干气密封的特点 由于气体是可压缩流体，其动力粘度大约是机油的四千分之一，水和煤油的六十 分之一和一百分之一，因此，与液体润滑的机械密封相比，它具有以下特点： ( 1 ) 配合表面的粗糙度，将引起气体的压缩和膨胀，使压力降低或升高，从而改变 了压力分布和流动状态，因此，其表面加工精度要求很高。 ( 2 由于粘度小，需要在结构上采取措施以提高动静压效应，以便产生足够的膜压力 使相互摩擦的表面分开。 ( 3 ) 由于气体的导热系数小，为减少摩擦热及热变形及表面摩损，应使其具有较大 的刚度，以防止表面接触。 2 2 2 干气密封的典型结构 与液体相比，气体具有粘度小，导热系数小，可压缩等特点，干气密封运行时产 生的动压效应比较弱，因此，干气密封首要问题是如何获得较大的气膜冈4 度，以及气 膜承载力，从而实现气体润滑及非接触运行。 根据气膜产生原理，可将其分为：静压型、动压型、动静压结合型。严格说，密 封运转时无绝对的纯静压效应，也没有绝对的纯动压效应，而只有动静压混合效应， 只不过从其结构原理上分析，动静压产生的效应是否占主要作用。 ( 1 ) 静压型：图2 1 阖豳 环面节流型 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 静力台阶型 图2 1 流体静压型密封典型结构 f i 口- 1 t h er e p r e s e n t a t i v es 扪l c t l l r eo f t h es e a lw i t hh y d r o s t a t i ct y p e s ( 2 ) 动压型：图2 2 罄么么乙么乙乙山么厶冬二厶厶 臆一滴一闷 雷列台阶型斜面型 6 斜面台阶型 图魁函囫一囫 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 表面波度型 人字槽型 隧l j 丛 螺旋槽型 圆弧槽型径向槽型 u 型槽型直线槽型 图2 2 流体动压型密封典型结构 f i 9 2 2t h et y p i c a l s t r u c t u r eo f t h e h y d r o d y n a m i c s e a l ( 3 ) 动静压混合型：图：2 3 7 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 环面带注孔螺旋槽型 圆弧面螺旋槽型 i 逡遘爹彰乡j 波度倾斜坝型 图2 3 流体动静压混合型密封典型结构 f i 9 2 - 3t h et y p i c a ls t r u c t u r e o f t h eh y d r o s t a t i c a n d h y d r o d y n a m i c c o r r t m i x e ds e a l 以上各种结构，螺旋槽机械干气密封技术最成熟，性能最优良，应用最广泛。而 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其城用研究 气体静压型虽易制造，但需要复杂的控制系统。综合起来，气体润滑干气密封以螺旋 槽为最佳，尤其是部分开槽泵入型螺旋槽干气密封。本文也针对泵入型单向螺旋槽干 气密封的具体结构特点，对压缩机干气密封使用进行一下分析。 23 、螺旋槽干气密封的基本原理 螺旋槽干气密封的基本原理主要是依据流体静压力和流体动压力之间的平衡理 论。当密封腔内有气体压力时，作用在密封件上的力是流体静压力。无论密封件是静 止还是旋转，这个静压力都存在。而流体动压力只有当密封件旋转时才能产生，要产 生流体动压力从而形成一定的密封间隙，螺旋槽起着非常重要的作用。图2 4 表示 一个螺旋槽沿顺时针方向旋转，气体沿槽进入并被压缩。压力的增加使得静环沿轴向 提升而形成密封间隙( 动环静止时，动静环是贴在一起的) 。 向中心 图2 叫螺旋槽密封的作用原理 f i 醇一4t h e f u n c t i o n a lp r i n c i p l eo f t h es p i r a lg r o o v es e a l 螺旋槽的尺寸和数量以及密封屏障的直径都要影响密封的力平衡。调整这些参数 便可决定在一定压力下低转速时，静环是否能提升。这对经常启动和停车的机器的密 封特别重要。 螺旋槽密封密封的一般结构如图2 5 所示。静止件由弹簧、“0 ”型环、碳环( 即 静环) 及不锈钢架组成。 图2 5 螺旋槽密封的一般结构 f i g2 - 5c o m m o n s t r u c t u r eo f t h es p i r a lg r o o v es e a l 9 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 旋转件由“o ”型环、动环( 通常是碳化钨) 组成。动环上开有一系列深度在几 微米十几微米之间的螺旋槽。如图2 3 所示。 图2 6 动环 f i 9 2 6m o v i n gl o o p 设计条件下，如图2 7 所示，作用在运行密封上的力产生一个约0 0 0 3 m m 的密 封间隙。 1 一 i ? i n 一 目目 目目 目目 l ? 【i ? t 问隙约吐簧翟m i ! i “ i 韶囡，敷 图2 7 密封间隙的形成 f i 9 2 - 7f o r m t h ec l e a r a n c eo ft h es e a l 对密封的压紧力f c 是作用在静环后面的系统压力p ( 即密封腔内气体压力) 加 上弹簧力f 。而开启力f o 则是作用在静环密封面上的系统压力p 加上螺旋槽产生的 动压力。当f c = f o 时，达到平衡，产生一个设计密封间隙。 当条件稳定，密封面保持平行时，密封就能连续操作。如果扰动能够引起密封间隙的 减少，则气膜产生的力就会增大。同样，如果间隙增加，气膜产生的力就会减少。但 在任何情况下，密封压紧力f c 都保持不变。所以，无论如何，力的平衡都会很快恢 复，以保证设计的密封间隙，如图2 8 所示。 1 0 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 f c f o t ) f c f o l h ) 图2 8 密封间隙受力情况 f i 9 2 8p r e s s u r eo f t h ec l e a r a n c eo f t h es e a l f c f o t f1 因为较大的力不平衡也只能引起密封间隙较小的变化，所以密封对压力波动和机械扰 动( 如轴位移等) 不敏感，不会产生动环与静环直接接触现象的。 螺旋槽密封在运行时受流体静力和流体动力的影响。密封面压缩区( 即螺旋槽覆 盖的部分) 同时受流体静力和动力的作用，而在跨越密封屏障的膨胀区，压力分布只 受流体静力的作用。 在理想情况下，坚硬的动环应是完全平坦并垂直于旋转轴的。但实际上由于制造 误差或运行中的轴位移，总会产生一些角度偏差。密封件中具有产生高气膜刚度的机 构，它可补偿这些偏差以迅速恢复平衡而保证气膜的稳定性。 2 4 干气密封在离心压缩机上的应用条件 离心压缩机上安装干气密封时，应注意以下四项： f 1 ) 、转子的稳定性 将压缩机的湿密封改造为干气密封时，需要检查转予的稳定性。一般来说，压缩 机的转子为挠性轴，浮环密封系统改造成千气密封后，转子的临界速度会有所降低， 即改造后，转子的稳定性会更好。 f 2 ) 、旋转方向 干气密封内部气体压力的建立与压缩机的转动方向有关。非对称性的螺旋槽只有 与转动方向相匹配时，动静环才会分开。所以，单向螺旋槽的密封用于压缩机的驱动 端和非驱动端时，要安装两套形式不同的干气密封。双向螺旋槽是对称分布的，在相 同的操作条件下，单向螺旋槽的密封性能稍好一些。 ( 3 1 、温度和压力的影响 干气密封组件中有一些非金属零件，如0 形圈等，其寿命对密封性能影响很 大。所以应选择合理的材质及精度来适应不同操作条件下要求，防止弹性原件在高温 条件的硬化趋势。对于一些压力过高的压缩机来所说，干气密封的选用受到一些限制。 ( 4 ) 、速度极限 要避开速度极限需要做很多工作，密封件的材质、结构的设计都直接影响速度极 限。15 0 m s 的速度极限适用于所有的密封形式。速度的下限取决于动静环形成间隙时 的速度。该极限约为0 6 r n s 。在停车过程中，瞬时速度会低于该值，但没有迹象表明， 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 在停车过程中密封性能有变坏的趋势。 2 5 几种典型的干气密封端面流槽型线 2 5 1 对数螺旋线 对数螺旋线的方程 r = e “9 ( k 为常数) 对数螺旋线的切线与的夹角口( 图2 9 ) 卢2 口r c t g - 1 “”t g i = 常数 图2 9 对数螺旋线示意图 f i 9 2 9t h e s k e t c ho f t h el o g a r i t h m s p i r e 所以，对数螺旋线的螺旋角口和口均为常数。 a + 卢= 三 $ = d g j l 则：k _ - c t g 卢= 一t g a 螺旋线的曲率半径 = e - k 8 ( 1 + 后2 ) _ 离心氧压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 所以螺旋线的曲率半径是变化的。 2 5 2 阿基米德螺旋线 阿基米德螺旋线方程： ，= k o( k 为常数) k ：旦 2 z c 阿基米德螺旋线的切线与矢径的夹角口为：( 图2 1 0 ) = d m 辔二= a r c t g o r 所以：0 = 辔 厂 令r f 汐。 髟_ ( o 图2 一1 0 阿基米德螺旋线示意图 f i 9 2 - 1 0t h es k e t c ho f t h e a r c h i m e d e s s p i r e 2 5 3 圆弧线 以圆弧线代替螺旋线a b ，设在外圆上b 点，圆弧与螺旋线具有相同的a 、卢和曲率半 径r ，因为b 点口= 0 ，所以 = e 正虿= 扛万= s e c 口 r 确定之后，也就确定o 的位置。下面确定圆弧a b 所在圆的圆的半径p o 。在三角形 o o b 中，利用余弦定理： 露= 2 + 右一2 r ，r o c o s g 取r , j = 1 则风：石瓦j 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 所以，圆弧的特点：半径为常数，口角随矢径r 而变化a ( 图2 1 1 ) 图2 1 1 圆弧线示意图 f i 9 2 1 1t h e s k e t c ho f a r c s h a p e dc u r v e 2 5 4 几种线性槽的比较 堕薹墨萤 图2 1 2 几种线形的比较 f i 醇一1 2c o m p a r i n g s e v e r a lc d l w c s 由图2 9 可见，在同样条件下，圆弧在圆周所占长度大于对数螺旋线，小于阿 基米德螺旋线。若假设槽数无限多，泄漏为零，板无限大时，阿基米德螺旋线的压力 1 4 离心氢挑机螺旋榴干气密封技术及其应用研究 分布为 6 】 p = 竺半f f ? 一r 31( 2 1 ) 蟛 7 同样简化条件下，对数螺旋线槽的压力分布为： p = _ d u w i 矗2 一r 2 1( 2 2 ) 匿 7 从式( 2 ，1 ) ( 2 2 ) 的对比中可以看出，阿基米德螺旋线的增压效果最明显，与r 成立方比， 对数螺旋线较差，为r 成平方比。同样，圆弧线槽的压力分布介于两者之间。 实验表明：阿基米德螺旋线的效率较低，对数螺旋线与汇源环流流线方程一致， 其效率最高，圆弧槽的效率介于两者之间。因此，多数情况下采用对数螺旋线槽型线 来设计干气密封。由于对数螺旋线结构复杂，加工困难，有时也用圆弧槽型来代替对 数螺旋型。本文针对对数螺旋线槽的型式，做一下具体分析。 2 6 螺旋槽的端面压力分布 由前面的螺旋槽型线的特点可以看出，螺旋角为常数，根据这一特点，w h i p p l e 于1 9 5 1 年建立了数学模型。该模型被称为螺旋槽窄槽理论。它以无限长平面平行直 槽齿条代替平面螺旋槽，然后假设平面平行槽中的压力分布为线性，再根据边界条件， 连续性条件和周期性条件确定各系数，得到压力分布的表达式。 由于平行直槽齿条与螺旋槽有一定的差别，所以，使用平行槽得到的结论与螺旋 槽应有的特性相比，显得太粗糙。为克服这一不足，m u i j d e r m a n 在半径r r 十咖的 圆环上使用w h i p p l e 的结论，再对其进行积分，从而得到压力分布。螺旋槽压力分布 导出的方法较多，其压力分布规律则差别不大，这里以使用较多的由m u i j d e r m a n 推 导的压力分布公式来求解旧j 。 槽觚等一警 + 等g ：专 s ， 瓤警= 丁6 , u q , r t 百1 ( 2 4 ) f 名 f r o r = r p l2 p 2 p 22 p o a2 p 。 ，一h2 c t g a ( 1 一日。) ( 1 一h ) 式中g i3 雨而f 而箫南 离心氢压机螺旋槽千气密封技术及其应用研究 g ，= ( 1 + r 。) h 。2 ( 1 + c t 9 2 d ) ( r + ) r 一? b g = 毛 h = h 2 忙吉 p 2 ：槽区压力 p 1 ：坝区压力 o g ：角速度 “：粘度p a s q 。：泄露量 凡：台区膜厚 危：槽区膜厚 ：槽深 h ：槽区与坝区膜厚比 g ：、g ：螺旋槽常数 r ：气体常数 t ：温度；k y ：槽宽与坝宽比y = b , 对式( 2 ，3 ) ( 2 4 ) 只能求得数值解，用计算方法中的龙格库塔法对式中的各参数及变 量进行求解，可得到螺旋线槽中的压力分布曲线。如图2 1 3 所示： 1 6 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 图2 一1 3 螺旋槽密封端面的压力分布 f i 9 2 1 3t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t h es p i r a lg r o o v ee n d s u r f a c es e a l 27 螺旋槽干气密封面结构优化与设计依据 2 7 1 螺旋槽干气密封结构参数优化概念 干气密封起源于气体动压轴承，其工作原理( 膜压产生方式) 与气体轴承相同， 但其要求与轴承相比有较大的差别。 对于轴承而言，要求有最大的承载能力，最大的刚度和稳定性。而对于密封而言， 则要求有尽可能小的泄漏量，尽可能大的刚度及承载能力。过大的泄漏量则意味着密 封无效。所以，引入一个衡量气体密封综合性能参数：刚漏比，即气膜刚度与泄漏量 之比。它的最大值则意味着刚度大而泄漏量小，是衡量干气密封设计性能的重要参数。 同时，优化过程中也要考虑螺旋槽槽深的影响；螺旋角大小的影响；螺旋槽槽长的影 响；螺旋槽槽宽的影响：槽数的影响等诸多因素。 本文重点介绍采用窄槽理论进行结构优化和有限元方法对螺旋槽干气密封的结 构优化原理。并利用其中优化的结果，针对具体应用，选择合适的的结构参数，对离 心式氢压机的干气密封结构进行分析和设计。 2 7 2 气膜刚漏比窄槽理论计算方法及定性分析 由窄槽理论得到的槽台区和坝区的压力分布为： 槽台区： d 口6 2 0 )6 “玎r t 1 芳一百g l r + 焉芽9 2 石 坝区： ! 生1 ：! 坐g ：墨三l 办 吃3且， 1 7 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 r = r = k f r p 12 p 2 p 22 p o p l = p 。 上式中：g 。g ：为螺旋槽系数 对上两式无量纲化 p ，= p p o p ：= p ：p 。 日= ( 啊= + ，：槽深) r = d , o a ：6 p o j r ，o _ _ 显2 p o h 2 2 石= 一6 x q ，- r t ( 无量纲泄漏量) 。 1 z _ 彰 从而得到如下的无量纲压力分布 挚：一a g 一r + 一q g ： ( 2 5 ) d r p 2 r 堕：石一1 ( 2 6 ) d r 。p r 日 r = p 1 = p 2 ，= 1 p 2 = 1 r 5 p l 。p i 采用数值解得方法对式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 进行求解，从而得到膜压分布，由膜压分布的 1 8 离心氧压机螺旋槽干气密封技术及奠应用研究 积分，可得到无量纲载荷刃，再令：h 。= h r + 砒，可得另一无量纲载荷0 9 。，则 七= ( 一万) 如，其中七为无量纲膜刚度。无量纲泄漏量舀可以从解方程2 5 、2 6 时 求得，从而可求无量纲刚漏比列互 结构优化 利用无量纲刚漏比，得出的结论是： 螺旋角：取较大值( 口取较小值) 槽台宽比i ：越小越好 无量纲膜厚h ：越小越好 a ：盟：越小越好 综合各方面数据，得到如下结论： 最大承载：1 3 = 6 5 - - 6 8 。 6 。缉= 1 3 1 6 h = 4 0 q = o 6 最大刚度：口= 7 7 7 9 。 b , b , 2 1 o _ 一2 0 h = 2 2 5 - 2 7 5 a ：满足载荷条件下的较大值。 2 7 3 有限元法分析与结构优化 用有限元的方法分析密封面的压力分布 干气密封的理论基础源于螺旋槽推力轴承，气体产生的动压效应应服从雷诺方 程。雷诺方程的求解，目前还只能采用数值计算方法，通常采用差分法或有限元法。 差分法虽然简单，但要求单元形状规则，而有限元却能采用等参数单元满足不同形状 的密封面开槽形式。 雷诺方程的一般形式是： v - p 日3 0 2 ) v p = v ( p h v l 2 ) ( 1 ) 考虑理想气体，则p = - p a ( 其中a 为常数) ，则气体雷诺方程化为 v p h 3 0 2 ) v p 】- v ( p h v 2 ) ( 2 ) 对式( 2 ) 进行无量纲化，设： 离心氧压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 x = 甄，y = 瑰，p = 现 h = h h 。，u 2 。，v = z v o 整理后，无量纲气体雷诺方程为 ( 为书写方便，省去字母上的“一”) 。 v ( p h 3 v p ) = a v ( p h v ) ( 3 ) 式中：a = 6 u u o r 。( 瑶r ) = 巧“( r 吼) 2 ( s p o ) 利用已知的边界条件：，= r o ，p = p o ，= p = 1 用有限元法对式中( 3 ) 进行分析，可求得螺旋槽密封面的气膜压力分布，从而进一 步求得螺旋槽干气密封的承载能力，密封的气膜刚度以及密封的气体泄漏量： 注：符号说明 旷一气体动力粘度，甩s p 一气体密度，强m 3 x ，y 一无量纲坐标 p 一无量纲压力 h 一无量纲气膜厚度 u v 一无量纲速度分量 w 一无量纲承载能力 q 一无量纲泄漏量 s 一无量纲气膜刚度 s q 一无量纲刚漏比 r r 螺旋槽内径 砥一密封环内径 r 0 一密封环外径 p o 一环境压力 h o 一密封环的设计工作间隙 u o 一密封内径处的线速度 n 一转速 螺旋槽干气密封运行的稳定性和可靠性主要取决于密封面产生的气膜刚度s 的 大小，因此对于干气密封进行优化时，主要考虑的是如何使密封具有较大的气膜刚度。 同时，也考虑到使密封具有较大的刚漏比。 由于影响密封性能的因素太多。只对几个主要的参数进行优化。即密封面螺旋槽的槽 深日，螺旋面戗，槽数n g ，槽宽和堰宽比 以及槽长和坝长比y 。 优化时，对其中一个参数进行变化，其余不变，优化结果如下： ( 1 ) 螺旋槽槽深e ：从承载能力曲线、泄漏量曲线、刚度曲线、和刚漏比曲线都呈 离心氢压机螺旋槽十气密封技术及其应用研究 现出最高点，而且最高点都出现在h = 3 5 左右，说明螺旋槽的槽深有一最佳值。槽 深对密封性能的影响非常大。因此，干气密封的槽深的设计就显得非常重要。 ( 2 ) 螺旋角饯：螺旋角的选择对密封性能的影响很大，n 太大或太小都会影响密封工 作的稳定性。当螺旋角= 1 4 0 左右时，密封的气膜刚度及刚漏比均获得最大值，承载 能力也较大。因此，密封的泄漏量也显得大些。 ( 3 ) 螺旋槽槽长和坝长比y ：利用有限元程序，对槽长和坝长比的影响进行分析。当 y _ 1 5 时，密封的气膜刚度、刚漏比以及承载能力变化均较大。在丫= 2 3 时，刚度具 有最大值，而且变化很小。当f 2 5 3 5 时，刚漏比以及承载能力具有最大值。因此， 取v = 2 5 左右，密封具有最佳性能。 ( 4 ) 螺旋槽槽宽和堰宽比e 当i = o o 4 时，( 1 = b g b u ) 密封的刚度、刚漏比、承载能力及泄漏量的变化均很大， = o 4 一l 时，各项值变化不大。因此，取e = 1 左右时，密封性能比较好。 ( 5 ) 螺旋槽槽数n g ，随着槽数的增加，密封的刚度、刚漏比、承载能力均有所增加。 当n g = 4 0 m 后，变化平缓。由于槽数越多加工越困难。因此，槽数n g = 2 0 一4 0 比较合 适。 离心氢压机螺旋槽千气密封技术及其应用研究 3 离心氢压机螺旋槽干气密封的工作参数与计算 锦西石化分公司6 0 万吨重整装置循环氢压缩机机为重要设备，其机组能否长周 期运行，关键在于轴封的好坏。根据国内现有轴封技术的发展趋势，决定采用天津鼎 名公司设计并生产的螺旋槽干气密封作为机组的轴封。为此，本文根据离心氢压机的 操作条件及工艺参数，对此干气密封的结构及参数进行计算与研究。 3 1 离心压缩机的操作条件及工作参数 该压缩机组是由沈阳鼓风机厂生产的为锦西石化分公司6 0 万吨年重整装置设计 的b c l 4 5 7 型循环氢离心压缩机。机组由b c l 4 5 7 压缩机和n g 2 5 2 6 汽轮机组成，压缩 机与汽轮机由膜片联轴器联接，压缩机与汽轮机安装在同一钢底座上，压缩机与轴端 密封采用干气密封。 具体操作条件如下： 最高连续转数：1 0 1 8 3 r p m 跳闸转数：1 2 9 5 7 r p m 流量：3 3 1 9 0 n m 3 h 入口压力：3 4 0 k p a a 入口温度：4 4 出口压力：6 6 0 k p a a 出口温度：1 0 5 2 气体分析：见表 表3 - 1 离心氢压机介质参数 t a b 3 1 h y d r o g e nc o m p r e s s o rm e d i u mp a r a m e t e r 气体分析( m 0 1 )分子量正常 硫化氢 3 4 0 7 6 0 5 2 p p m 氢 2 0 1 68 6 6 8 甲烷 1 6 0 4 2l - 2 乙烷 3 0 0 6 82 0 7 丙烷 4 4 0 9 42 0 1 异丁烷 5 8 1 2 00 9 6 正丁烷 5 8 1 2 00 8 8 异戊烷 7 2 1 4 60 7 6 正戊烷 7 2 1 4 6o 4 2 正戊烷以上 8 6 1 7 25 0 2 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 水蒸气 1 8 0 1 6 2 0 _ 一5 0 p p m 氯化氢 3 6 4 6 1 2 5 p p m 总计 1 0 0 i 平均分子量 9 9 3 2 选择干气密封形式 由压缩机的操作条件可知，介质为氢气，属于易燃易爆气体，不允许有泄漏。而 干气密封的端面有一定量的泄漏，所以要选择合适的密封方式。 在气体密封情况下，关键是气体要有足够的分子量和粘度产生泵送作用形成间 隙，而对有害气体，如可燃性及有毒气体，必须采用缓冲气。因此，布置安装方式类 似于油密封系统。 对于无害气体如和c 0 2 等，可采用单密封形式，如图( 3 1 ) 图3 1 单密封形式 f i 9 3 1s i n g l e s e a lp a t t e r n 对有害气体或高温气体，通常采用单密封加迷宫，并用缓冲气冷却密封或保护环境。 如图( 3 2 ) 所示。 图3 2 缓冲气冷却密封结构 f i 9 3 2t h e s t r u c t u r eo f t _ h es e a lw h i c h i sr e f r i g e r a t e dw i t hc u s h i o ng a s 2 3 离心氢压机螺旋槽干气密封技术及其应用研究 对于比较恶劣的条件或要求严格控制缓冲气进入介质的量时，通常考虑面对面的双密 封。如图( 3 3 ) 所示。 图3