（机械工程专业论文）高压离心机干气密封设计.pdf

坠尘堡矍三奎兰三堡堡：兰堡丝圣 高压离心机干气密封设计 摘要 高压离心机是对流体的增压工具，在国民经济的各个领域发挥着关键性 作用。它本身的密封性能好坏直接关系着功能的好坏，甚至影响到整个车 间、厂矿的生产。因此，对其进行研究，并重新选择合适的密封形式是非常 必要且具有实际的经济价值。干气密封是一种新型的无接触轴封，由它来密 封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量 少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不 受油污染等特点。干气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实例 所证实。 本文研究的课题是b c l 4 0 6 a 型离心式压缩机轴端的干气密封系统， 研究的内容如下： 首先研究密封的基本知识，即密封系统的概念、分类以及目前该技术的 发展方向，并着重对干气密封系统进行详细的分析，得出影响干气密封效果 的主要因素。 对干气密封系统内部进行了设计。根据需要选择了带中间密封的两个串 联密封形式，并根据计算选择动环t 型槽。这不仅可以减少油耗，更主要 的是减少了密封油对工艺回路污染的危险性。在迷宫密封选择上选择了斜齿 直通型迷宫密封，并通过计算验证选择的合理性。确定o 形密封环选用氯 丁橡胶、静环选用膨胀石墨，而动环选用碳化钨材料，迷宫密封选用合金 钢。 针对b c l 一4 0 6 a 型离心式压缩机的干气密封系统进行的设计是符合实 际需要的，泄露量在规定以下，密封套件选择合理，迷宫设计恰当，干气密 封系统方案的确定、结构的选择、参数的确定和关键部件的设计及相应的较 核准确，有效降低了整个压缩机密封系统的维护强度，延长可维护周期。 关键词高压离心机；轴端：干气密封 坠查堡矍三查兰三堡堡! ：兰堡丝兰 d e s i g no fd r y s e a lo nh i g h - p r e s s u r ec e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r a b s t r a c t a r i s i n gp r e s s u r et ot h ef l u i d ，h i g h p r e s s u r ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rp l a y sa k e yr o l ei na l la r e a so ft h en a t i o n a le c o n o m y w h e t h e ri t ss e a l e dw e l lo rn o tw i l l h a v ead i r e c ti n f l u e n c eo ni t so w nq u a l i t y m o r e o v e r , i tc o u l da f f e c tt h e p r o d u c t i v i t yo ft h ee n t i r ef a c t o r y t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt os t u d ya n dc h o o s e t h er i g h tw a yt os e a la n di th a sar e a le c o n o m i cv a l u e d r ys e a li san e wk i n do f n o n c o n t a c ts e a l sa n di tc a us e p a r a t et h eg a so rl i q u i dm e d i ai nar o t a t i n g m a c h i n e c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s ，d r ys e a lp e r f o r m sb e t t e ri nm a n yw a y s ： l i t t l el e a k a g e ，w e a rl e s s ，l o n gl i f e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，s i m p l et ou s ea n d r e l i a b l e ，l o wm a i n t e n a n c e ，s e a l i n gf l u i da p a r tf r o mt h eo i lp o l l u t i o n b e c a u s eo f i t sr e l i a b i l i t ya n dg o o dv a l u et ot h ee c o n o m y , d r ys e a lh a sb e e na p p r o v e da sa b e t t e rw a yi nm a n yf i e l d s t h i st h e s i si ss u b j e c tt oas t u d yo fb c l - 4 0 6 a c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rs h a f t d r ys e a ls y s t e m s c o n t e n t sa r ea sb e l o w ： f i r s to fa l l ，i tw i l ls t u d yt h eb a s i ck n o w l e d g es u c ha st h ec o n c e p to fas e a l e d s y s t e m ，a n dt h ec u r r e n tc l a s s i f i c a t i o na n dt h et r e n do ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n t a d e t a i l e da n a l y s i so fd r ys e a ls y s t e mw i l lb eu n d e r t a k e nt of i n do u tt h em a i n f a c t o r st h a tm a yi n f l u e n ti t sp e r f o r m a n c e t h ea r t i c l e 锄p h a s i z e st h ei n t e r i o rd e s i g no ft h ed r ys e a ls y s t e m a c c o r d i n g t ot h en e e d sw ec h o o s et h es e a lf o r mo ft w os e r i e s ，a n dc h o i c eo ft - r i n gg r o o v e a f t e rc a l c u l a t i o n t h i sw i l ln o to n l yr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n ，b u ta l s ot or e d u c e t h ep o t e n t i a lp o l l u t i o nc a u s e db ys e a l e do i l t ot h ec h o i c eo fl a b y r i n t h ，w ec h o o s e b e v e lt h r o e l g ht h em a z e s e a l e da n dv e r i f i e di ti sar e a s o n a b l ew a yb yc a l c u l a t i n g i ti sb e e nd e t e r m i n e dt h a tt os e l e c tc h l o r o p r e n er u b b e rf o r o s h a p e dr i n g ， e x p a n d e dg r a p h i t ef o ri n a c t i v er i n g ，w cm a t e r i a l sf o ra c t i v er i n ga n df i n a l l yu s e s t e e lf o rl a b y r i n t hs e a l t h a tb c l - 4 0 6 aa g a i n s tt y p ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rd r ys e a l s y s t e mi s 玎 坠量堡圣三叁茎三堡堡! ：兰竺鎏三 d e s i g n e dt om e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h ea m o u n to fd i s c l o s ei su n d e rt h e r e g u l a t i o n b o a r d sc h o s e n a r er e a s o n a b l e ，m a z ed e s i g ni s a p p r o p r i a t e t h e i d e n t i f i c a t i o no fd r ys e a l ，t h ec h o i c e o fp a r a m e t e r s ，t h ed e s i g no fk e yc o m p o n e n t s a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga c c u r a c y , e f f e c t i v e l yl o w e r st h en e e do fm a i n t e n a n c ef o r c o m p r e s s o rs e a ls y s t e m a sw e l la se x t e n d st h em a i n t a i n i n gc y c l e k e y w o r d sh i g h p r e s s u r ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；s h a f t ；d r ys e a l 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压离心机干气密封设计， 是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所 取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的 研究成果。对本文研究工作做出贡献的个入和集体，均已在文中以明确方式注明。 本声明的法律结果将完全由本人承担。 ， 作者签名：至一千伶 日期：。川年5 - 月二日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高压离心机干气密封设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在 导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本 论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于 保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 上帕日期：似i 净亨月讶日 名：研仪鹂 日期：细7 年f 月习日日期：细年j 月刁日 坠玺堡矍三奎茎三堡堡! ：兰堡篁三 1 1 课题背景 第1 章绪论 干气密封系统是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型轴端密封，属于 非接触密封。干气密封技术实现了密封介质的零泄露或零逸出。这种密封运行 无磨损，功耗小，结构相对简单，无复杂的封油系统，安装维护费用低：系统 可靠，可长周期稳定运行。 中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司1 2 0 万吨年加氢裂化装置 使用的是b c l 4 0 6 a 型循环氢离心压缩机。机组由b c l 4 0 6 a 压缩机和 n g 2 5 2 0 汽轮机组成，压缩机和汽轮机由摩片联轴器联接，压缩机和汽轮机安 装在同一刚底座上，整个机组采用润滑油站供油。 1 2 本课题研究的目的和意义 现在工业压缩机大多采用离心式压缩机，主要是因为运转周期长、性能稳 定。工业生产要求压缩机在高转数、大压力、大气量，特别是在压缩有害、有 毒、易燃气体的工作条件下运转，这就决定了现代机械密封川的发展趋势向高 的密封效率、低能耗的方向发展。 高速旋转的离心压缩机组，其轴端密封主要有迷宫密封、浮环密封、机械 密封和干气密封四大类 2 j 。而b c l 4 0 6 a 型离心压缩机组轴端采用了干气密封 装置，其中的级问和端面又结合了迷宫密封，从而使密封达到更加经济的效 果。迷宫密封通过梳齿状间隙对气体产生节流效果而起密封作用，适用于对泄 漏量要求不高且压力较低场合。如果增加迷宫级数，采取抽气辅助密封手段， 则可密封危险性或较高压力的气体。干气密封为非接触式密封，其极限速度 高、密封性能好、寿命长、不需要密封油系统、功率消耗少、运行费用低，是 目前最为先进的密封形式。 1 3 干气密封系统的国内外发展现状 从2 0 世纪4 0 年代开始，干气密封技术己逐步应用于工业领域，最初用在 航空工业界。到5 0 年代后期，才首次在工业压缩机上得到应用。经过近几十 哈尔滨理丁，赶学丁程硕十学位论文 年的发展，这一高新技术已经获得了广泛应用，不少压缩机制造厂已把它应用 于各种工艺压缩机上。在国外，无论是理论研究还是实际应用，均已达到较为 成熟的地步，克兰公司的2 8 系列干气密封产品已经在离心压缩机、汽轮机和 工业泵上获得广泛应用1 3 1 ，最近又开发出了能够双向旋转的干气密封系列产 品。 在中国，部分学者进行了一些理论研究工作 4 1 ，如蔡文新等用八节点有限 单元法计算了螺旋槽气体密封的压力；彭建等也用八节点有限单元法计算了螺 旋槽气体密封的压力，并进行了参数优化；胡丹梅等采用八节点有限单元法计 算了螺旋槽气体密封的压力分布和密封性能。在工业方面，国内进展较为缓 慢，近年来主要有天津鼎名密封有限公司和四川日机密封件有限公司开发了部 分产品。同国外产品相比，特别是在高压领域里，存在较大差距。目前国内干 气密封产品现场应用最高压力为1 0 m p a 左右，速度也在1 5 0 m s 以内。 1 4 干气密封系统在国内的应用情况 国内从2 0 世纪9 0 年代中期开始引进这一技术，之后在石化行业的压缩 机、泵等旋转设备上得到广泛应用。例如，中国石化集团优选公司燕山分公司 炼油厂1 9 9 7 年开始从国外引进干气密封系统，到2 0 0 3 年为止共有3 台压缩机 上采用了干气密封。联合加氢循环压缩机k 5 0 2 上采用的是j o n e c r a n e 公司 2 8 a t 型两级串联、单列螺旋槽干气密封系统，介质为工艺气，最大密封压力 1 0 m p a 。另外两套采用的是天津鼎名公司的于气密封系列产品，主要是用低压 场合。从运行效果来看，干气密封在中底压领域的应用是较为可靠的，无故障 运行周期长，维护工作量小。 1 5 本课题预期实现的功钱及研究内容 1 5 1 预期实现的功能 设计的干气密封系统在泄露量、气体逸出量、无故障运行周期，维护工作 量等方面要优于原压缩机密封，且在投资上低于原设计。 1 5 2 研究内容 i 阐述密封的基本知识，即密封系统的概念、分类以及目前该技术的发 一2 一 坠查堡矍三奎兰二至堡! ：兰堡丝耋 展方向，并着重对干气密封置戳进行详细的分析，提出影响干气密封效果的主 要因素。 2 根据离心式压缩机轴端密封的要求选择密封形式，并根据计算选择动 环t 型槽和迷宫密封，并通过计算验证选择的合理性。 3 材料的选择。 哈尔滨理t 大学t 程硕f 。学位论文 第2 章密封系统的介绍 2 1 密封的基本概念 随着石油、化工、冶金、动力、国防、轻工、原子能、航天等工业的发 展，密封理论跟技术得到了迅速发展和应用。当今，许多机器设备的跑、冒、 滴、漏不仅浪费了大量的能量。污染了环境，而且还可能导致恶性事件的发 生。1 9 8 6 年，仅仅是由于助推火箭上o 形圈密封的失效，从而导致了美国 “挑战者”号航天飞机的失事，震惊了整个世界。由密封事故引起的化学药 剂、燃料、油料等的泄漏事件更是屡见不鲜。由此可见，密封技术在科技高度 发展的今天占有重要的地位。 密封技术在现代流体机械中具有非常重要的作用1 5 1 。它对提高机械效率、 节省能源、节约原材料以及提到机器工作的可靠性和环境保护等方面，将起到 积极的作用 6 1 。因此，不断提高流体密封的技术水平，减少和消除跑、冒、 滴、漏有重要意义。 密封是在充满物理性能和压力可能均不相同的两个流体容器之间形成一个 压强分布，使得一种流体向另一种流体的泄漏量降到期望的程度。密封本质上 使用一种装置或措施来密封一个缝隙或一处结合面，使其不泄漏流体。因此， 密封的功用是阻止泄漏。 起密封作用的零部件，称为密封件。放置密封件的部位称为密封箱或密封 室。较复杂的密封，特别是带有辅助系统的，称为密封装置。密封件或密封装 置一是用来防止工作介质从机械或设备中泄漏出去；二是用来防止外部杂质进 入需要密闭工作的机器或设备内部【7 1 。 密封装置是流体动力机械、工艺设备、液体设备、管道、和阀门等的重要 组成部分【8 】。以上述设备中，被密封的工作介质可以是气体、液体或粉末状固 体。他们通过以穿漏、渗漏和扩散三种形式发生泄漏。穿漏是指在压力差的作 用下，工作介质通过密封面间隙的泄漏，是单向泄漏：渗漏是旨在压力差的作 用下，工作介质通过密封面间隙的泄漏，也是单向泄漏；扩散是指在浓度差的 作用下，流体介质通过密封面1 日j 隙或密封材料的毛细管产生的物质传递，使双 向进行的。 对密封的基本要求是：要保证结合部分的密闭性、工作可靠性、使用寿命 哈尔滨理t 大学t 程硕f ：学位论文 长，并且力求密封装置的结构紧凑、系统简单、制造维修方便、成本低廉。由 于大多数密封部件为易损件，所以应保证其互换性，以便实现通用化、标准 化、系统化。 衡量流体密封好坏的主要技术指标是泄漏量、寿命和使用条件( 压力p 、 圆周速度v 、温度t ) 1 9 】。目前流体密封能达到的单向技术指标如下表2 1 中，由此可以粗略地反映目前的密封技术水平。但在密封的设计和使用时，还 必须考虑各项经济指标，如基建费( 密封件、辅助系统等) 和维修费( 能源、 原材料消耗、阻塞流体消耗、易损件和维修费用消耗等) f l o 。 表2 _ 1 流体密封的单项技术指标 项目动密封静密封 压力( 或真空度) p1 0 3 m p a ( 1 0 1 0 m m h g )1 0 4 m p a ( 1 0 1 m m h g ) 温度t一2 4 0 0 + 6 0 0 。一2 4 0 。+ 9 0 0 0 圆周速度 v 接触式密封 1 5 0 m s 泄漏量 q 0 1 m l h 寿命t1 0年 流体密封的密封性能，通常用密封的泄漏量来表示。泄漏量目的按包含几 何关系( d 、j ，占) 和工况情况( 、v ，p ) 的经验公式来确定。在评定密封 的密封性等级时，有的按每千秒内的泄漏量q ( m l k s ) 除以密封周边b ( d m ) 为 比泄漏量 q b = 了q ( m 舳) 2 1 对于活塞杆密封，也有用面积a ( m 2 ) 除泄漏量v ( r r d ) 为比泄漏量 矿= 二( m l m 2 )( 2 2 ) 对于扩散泄漏，用扩散量劬( m l k s ) 除于面积a ( _ l ，1 2 ) 为比泄漏量 q 。e = i q a ( m l k s d m 2 ) ( 2 - 3 ) 通常取旋转密封的轴径d = 3 0 m m 在1 5 m i n 内测定的比泄漏量，取往复杆密 封的杆径d = - 3 0 m m 、冲程s = 1 0 0 m m ，冲次n = 1 0 0 n f i n l 内测定的比泄漏量。根 哈尔演理t 大学t 程硕i 学位论文 据数学统计处理对各类密封用比泄漏量来比较密闭性，确定表2 2 所示的几 个等级。 表2 2 流体密封的密闭性等级和比泄漏量 t a b l e2 - 2h u i ds o l e da i r t i g h tt h a ng r a d i n ga n dl e a k a g e 等级比泄漏鼍 直观质鼙评定准则典型密封 咖 1 0 0 ( 连续泄漏)密封 2 2 密封的分类 密封可分为静密封和动密封两大类。静止部件的密封称为静密封；有相对 运动部件的密封称为动密封。静密封主要有垫密封、胶密封、直接接触密封三 类。动密封可分为接触式密封和非接触式密封。由于密封面接触，为克服摩擦 需消耗能量，密封面会发热和磨损。非接触式密封面不直接接触，因此就没有 摩擦和磨损，密封件工作寿命长。图2 - 1 列出了密封的详细分类。 堕堑堡矍三查兰三至堡! 耋竺丝圣 老封 2 3 干气密封系统 2 3 1 干气密封简介 封 图2 - l 密封的分类 f i g 2 - ls e a lc l a s s i f i c a t i o n 自簟性密封斗，莹密封嗣 卜n 翌密抖一 广v 舞奄封 lj 型毫封圈 压蕾性毫封蛋 干气密封是一种新型的无接触轴封，由它来密封旋转机器中的气体或液体 介质。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低， 操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不受油污染等特点 1 l 】。因此，在压缩 机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和油润滑机械密封。干 密密 锄封封饼卅饼罩|蕈棚稚利泡恤嫱羞型鞲麓魄填悯嚣怒嚣 哈尔滨理丁大学t 程硕i 擘位论文 气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实例所证实。目前，干气密 封主要用在离心式压缩机上，也还用在轴向式压缩机、齿轮传动压缩机和透平 膨胀机上。干气密封已经成为压缩机正常运转和操作可靠的重要元件，随着压 缩机技术的发展，干气密封正逐步取代浮环密封、迷宫密封和油润滑密封。 干气密封与液体普通平衡型机械密封的区别在于；干气密封动环端面开有 气体槽，气体槽深度仅有几微米，端面间必须有洁净的气体，以保证在两个端 面之间形成一个稳定的气膜使密封端面完全分离。气膜厚度一般为几微米，这 个稳定的气膜可以使密封端面间保持一定的密封间隙，间隙太大，密封效果变 差；而间隙太小会使密封面发生接触，因于气密封的摩擦热不能散失，端面间 无润滑接触将很快引起密封端面的变形2 】，从而使密封失效。 气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压，从而实现气体介 质的密封，几微米的密封间隙会使气体的泄漏率保持最小。动环密封面分为两 个功能区( 外区域和内区域) 。气体进入密封白j 隙的外区域有空气动压槽，这些 槽压缩进来的气体。为了获得必要的泵效应，动压槽必须被开在高压侧。密封 间隙内的压力增加将保证即使在轴向载荷较大的情况下也将形成一个不被破坏 的稳定气膜。 干气密封无接触无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的，稳定的气膜 是由密封墙的节流效应和所开动压槽的泵效应得到的。密封面的内区域r 密封 墙) 是平面，靠它的节流效应限制了泄漏量。干气密封的弹簧力很小，主要目 的是为了当密封不受压时确保密封面的闭合。 2 3 2 干气密封工作原理 干气密封在非运转状态时，旋转环与不旋转环的密封面靠弹簧力贴合在一 起。运转时，气体随着旋转环的旋转，从旋转环的外径被吸入( 卷吸) ，沿沟 槽进入内部。由于沟槽外深内浅，加上沟槽末端没通道，以及旋转环上的密封 堰共同作用下，被吸入的气体就被压缩，在密封面上产生了动压力，使两密封 面脱离接触。该动压力与不旋转环四周的静压力相平衡的结果，使旋转中的密 封面保持微小的问隙。这个间隙的大小由闭合力于分离力相平衡的结果而定。 闭合力f c 是密封面间的静压力于弹簧力的合力。 分离力，b 是密封面的静压力和沟槽产生的动压力相加在密封面间所产生 的合力。 当闭合力和分离力处于平衡状态时( 图2 2 ) ，f c = f o ，密封面之间的间隙 哈尔滨理t 大学t 程硕i ：学位论文 为3 5 u m 。万一因外界的干扰，密封面的间隙变小，如图2 3 所示，沟槽处 的动压力就急剧上升，立即恢复到平衡状态下的间隙。同样，如果密封间隙变 大( 图2 _ 4 ) ，则沟槽处的动压力下降，密封面间隙缩小，恢复到平衡状态下的 间隙。 日目c 露 a 一闭合力b 一分离力d _ 膨胀 e - 弹簧力+ 密封面间的静压力 f - 气膜压力分布g 密封堰 2 - 2 正常运转时压力效果 f i g 2 - 2n o r m a lo p e r a t i o np r e s s u r ee f f e c 平 瞎闲。罩 a 一闭合力b - 分离力c 一压缩d 一膨胀 e 一弹簧力+ 密封面间的静压力 f - 气膜压力分布g 一密封堰 图2 - 3 间隙小时的运转效果 f i g 2 3s p a c i n gs m a l lo p e r a t i o nr e s u l t s 0 a 一闭合力b _ 分离力c 一压缩d 一膨胀 e 一弹簧力+ 密封面间的静压力 f 一气膜压力分布g - 密封堰 图2 1 4 间隙大时的运转效果 f i g 2 - 4s p a c i n go f o p e r a t i o nr e s u l t s 2 3 3 干气密封特征 干气密封的优点m 】：1 不使用油膜；2 由于密封间隙小，气体泄漏量非常 少；3 由于密封面互不接触，可用于高速高压的机器，机械磨损非常少，密封 寿命长。 ，目目。 一s口h嗣目 年目一困 勺 午暗。 哈尔滨理t 大学丁程硕i 学位论文 干气密封的缺点：1 虽然被密封气体有微量的泄漏，也有必要对它进行处 理；2 即使在停止运转时，也有微量气体泄漏；3 氐速旋转时不能产生足够的 动压力，有可能损伤密封面；4 旋转环使用脆性材料时，密封面有可能产生瞬 时破损；5 由于用干燥气体进行密封，对气体的质量要求高，其中橡胶、液体 要求要少；6 为了供应干气密封用的清洁气体和检测密封故障，需要设置较复 杂的缓冲气体系统”4 1 。传统密封与干气密封的特征比较见表2 - 4 。 表2 _ 4 传统密封与干气密封的特征比较表 t a b l e2 - 4t r a d i t i o n a ld r ys e a la n dt h es e a lf e a t u r e s 项目机械密封油膜密封干气密封 密封介质 油油气 密封结构 复杂简单复杂 密封用供油装置必要( 较复杂)必要( 复杂)不要 缓冲气体系统简单简单 较复杂 压力范围) l p a 52 52 0 速度范围m s7 01 0 01 3 0 动力损失 中 小小 漏入压缩机内部的油少 由 无 向大气侧f f l 露的气体无无微小 密封的损伤磨损磨损有脆性破裂 $ 根据实际情况记录更高的压力也可以 2 3 4 缓冲气体系统 缓冲气体系统是干气密封的重要组成部分 1 5 1 ，它由下列各部分组成。图2 4 为该压缩机用的缓冲气系统的示意图。 1 清洁缓冲气体供应管道 为了无故障地使用干气密封，最重要的是密封气体的性质。干气密封运转时， 其密封面的间隙很微小，如果有异物或液体混入密封部位，则会进入密封面的 间隙内，使密封面产生接触。特别是异物进入t 型环的沟槽内，则密封面不能 保持应有的间隙而产生接触，从而损伤密封面。 此外，除了密封面本身受到损伤外，异物在可转动部位的0 型密封圈附近 哈尔滨理工大学丁程硕1 ：学位论文 堆积，会阻碍旋转环的转动，则密封面难以保持数微米的间隙而产生接触。 因此，在干气密封中，经过过滤器的清洁气体必须起缓冲作用，要求清洁气体 的的品质是干净和干燥。过滤器的过滤精度要求达到2 5 岫( 1 6 1 。清洁气体中 也不能含有任何液体，因为液体流入密封面会发热，并使密封面产生热变形， 引起接触。在缓冲气体中有液体混入的场合下，必须采用凝聚型过滤器除去液 体。另外，要求缓冲气体有充分的流量。 一排到大气排放口b 一第一个密封泄露管路c 一侧流口d - 平衡管路e 一吸入f - 排出 g 一被密封气体侧密封h 一大气侧密封j 一轴承k n ：气或空气l _ 隔离缓冲气体管路 卅排到大气n 一第二个密封泄露管路p - 主缓冲气体管路( 清洁缓冲气体) q 压缩机排除的气体r 一迷宫圈f 1 一流量计 图2 - 5 压缩机用缓冲气体示意图 f i g 2 - 5c o m p r e s s o rw i t hb u f f e ra i rs k e t c hm a p 2 气体泄漏管道 从干气密封泄漏出来的气体由气体泄漏管道( 图2 5 中的b 和n ) 放空或 向大气排出。通过监测这条管线的泄漏量，可监测干气密封的故障。使用串联 哈尔演理丁大学t 程硕i ：学位论文 密封的场合，可用流量计监测密封气体测密封的泄漏量。特别是在泄漏管道上 设置测流小孔( 图2 5 中的c ) ，用上游的压力开关把流量换算成压力发出警 报，也是监测干气密封故障的一种方法。 隔离缓冲气体供应管路 干气密封基本上是一边泄漏气体一边进行密封，所以被密封气体的泄漏也 是不可避免的。 此外，润滑轴承用的油液，粘度大，如果混入干气密封部件，则从外侧侵 入密封面儿损伤密封。因此密封的大气侧必须与轴承室隔离开。为此，在干气 密封与轴承之间设置迷宫圈( 图2 5 中的r ) ，在迷宫圈的中间部位作为隔离缓 冲气体的氮气或空气受到清洗，并使密封部分与轴承室隔开。 2 3 5 控制系统 干气密封的控制系统由密封( 缓冲) 气体供应的流量控制功能和泄漏气体 的监测功能两部分组成。图2 5 中下部为管路密封气体( 缓冲) 和隔离气体的 供应管路( p 和l ) ，其流量由控制阀调节。气体泄漏由气体泄漏管路中的测流 小孔c 和流量计进行监测，并由压力开关p s 进行控制。 2 3 6 干气密封注意要点 离心式压缩机使用的干气密封几乎都是采用串联密封结构，典型的结构如 图2 - 6 所示。它在两个密封中间设置迷宫密封q ，隔离气体( n 2 ) 从c 处进 入。清洁气体( 经过过滤的被密封气体) 从a 处进入。运转时，从外侧密封泄 漏的只有氮气，是通过轴承向大气排出，被密封的气体不会泄漏。压缩机在维 修时应注意以下几点： 1 防止液体混入 在通常运转中，压缩机排出的干燥气体供作缓冲气体系统使用。但气动 前，存在管路中的气体被冷却到接近大气温度，其中一部分就会凝缩、液化。 在启动的同时，这些液体部分则与缓冲气体同时流入干气密封部位而损伤密 封。 必须把干燥气体作为缓冲气体使用时，缓冲气体排出口应该避开冷凝水容 易滞留的地方。启动前，必须彻底排放冷凝水和防止因管路的余热而使气体凝 缩，这些都是很重要的。 此外，如果能从压缩机排出口以外的场所取得干燥气体作为缓冲气( 外部 竺查堡矍三奎茎三堡堡! ：兰堡丝兰 缓冲) ，则比较安全。 2 缓冲气体的聚合 含有液体的气体( 湿气体) 与经过过滤的气体在干气密封内部聚合，如有 异物混入，往往也会引起故障，故在选择缓冲气体时必须注意。 a 一清洁气体入口( 经过过滤的被密封气体) b - 排到大气的n 2 + 泄漏的被密封气体 c 一隔离气体入口( n d 入口d - 泄漏的n ：通向大气e 一机内侧 f - 大气侧g 内侧密封( 主密封) h 一外侧密封( 备用密封) 图2 - 6 带中间密宫的串联密封结构 f i g 2 - 6w i t ht h ei n t e r m e d i a t el a b y r i n t ha i r t i g h ts t r u c t u r es e r i e s 3 泄漏气体的稀释 当被密封气体是可燃性气体，同时隔离缓冲气体又使用空气时，如果泄漏 至大气侧的被密封气体与空气相混合就会发生爆炸，这一点必须注意。在这种 场合必须增加作为缓冲气使用的空气供应量，使被密封气体浓度稀释到爆炸界 限以内。 4 转速 在透平机驱动的压缩机中，有的场合透平机是以数十转的低速运行。由于 干气密封是以动压力迫使密封面脱离接触，而低速运转产生的动压力却不能使 密封面分离。所以在确定旋转速度时要达到能使密封面分离所需动压力的转速 以上。由于各个制造厂家生产的干气各不相同，因此，密封的最低转速每次必 哈尔派理工大学t 程硕i ：学位论文 须按实际需要进行确定。 5 反向压力 干气密封不能在反向压力工作( 指密封下游的压力高与上游的压力) 下进 行运转。密封气体压力底的压缩机，如放空压力高，则密封处会受到反向压力 作用。这时，有必要在泄漏管路上设置止回阀，或者采取使缓冲气体的压力高 于放空气体等措施。 6 材料选择 干气密封是用气体进行密封，所以构成密封的各个零件全都是暴露在密封 气体中。从主要零件到o 形密封圈、螺钉的材料都必须选择在密封气体作用下 不变质。 7 泄漏的趋势 干气密封的密封性能可根据泄漏的趋势进行监测。泄漏量是于密封间隙的 三次方成比例。间隙的微小变化和密封运转正常与否都可由泄漏量反映出来。 通向放空阀管路的泄漏量可用流量计与测流孔或者测流孔的背压来测量。 泄漏量的瞬间变化是由生产工艺变化，轴的移动，压力、温度、速度的变化等 引起的，这些现象不值得注意。但是泄漏量呈上升趋势，也许是预告密封异常 的消息，值得注意。因此如果对泄漏量每日加以测量和记录，则有助于预测与 判断故障。 8 减压速度 干气密封工作压力的下降，在采用。形橡胶密封圈时，要小于o 8 m p a m i n 。当压力突然下降时，橡胶材科内部的气体会立即释放出来，往往会损坏 o 型密封圈。 9 振动 干气密封是端面密封，承受的径向振动值可以大些，多数场合是超过机器 的极限值，根据经验，峰值不超过1 0 0 u m 不会有问题。 2 4 本章小结 本章首先从密封的基本概念出发，引申出密封系统的分类，然后着重论述 了干气密封系统的工作原理、特征、控制系统、注意要点。为干气密封系统的 设计提供基础。 哈尔滨理t 大学t 程硕1 。学位论文 第3 章b c l 4 0 6 a 离心压缩机工作原理 及密封系统总体设计 该压缩机组是为中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司1 2 0 x 1 0 4 吨 年加氢裂化装置设计的b c l 4 0 6 a 型循环氢离心压缩机。机组由b c l 4 0 6 a 压缩 机和n g 2 5 2 0 汽轮机组成，压缩机和汽轮机由摩片联轴器联接，压缩机和汽 轮机安装在同一刚底座上，整个机组采用润滑油站供油。 离心压缩机结构如图3 一l ： 图3 1b c l 4 0 6 a 型循环氢离心压缩机结构示意图 f i g 3 一lb c l 4 0 6 ，a - t y p ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rr e c y c l eh y d r o g e nc h a r t 3 1 离心压缩机型号的含义 b c l 4 0 6 a 压缩机，为顺排结构，叶轮名义直径是中4 0 0 ，气体进入第一级 叶轮后，一直压缩至出口状态。没有中间气体冷却器7 】。 哈尔演理丁大学t 程硕i ：学位论文 3 2 离心压缩机的结构 b c i a 0 6 a 压缩机是一种多级离心压缩机，机壳为垂直剖分式。压缩机主 要由定子( 机壳、隔板、密封、平衡盘密封、端盖) 、转子( 轴、叶轮、隔 套、平衡盘、轴套、半连轴器等) 及支撑轴承、推力轴承、轴端密封等组成。 1 机壳 b c i a 0 6 a 型压缩机的机壳，根据压力和介质的需要，采用锻钢材料制 成。 机壳在两端垂直剖分，用嫘栓将两侧的端盖和机壳紧固在一起。为了具有 良好的密封性，机壳端面要精加工，端面上铣密封槽，密封槽内下“o ”型胶 圈和加强环，具有良好的密封性。 在机壳端面的上半部，每侧有两个装导杆的螺孔，每个导杆上套个环，在 装拆导杆时起导向作用。保证在装拆端盖时不致碰坏机壳内的密封和转子，这 个导杆还兼做固定机壳和端盖的螺栓作用。 2 隔板 b c i a 0 6 a 型压缩机的隔板有z g 2 3 0 - 4 5 0 ，q 2 3 5 a ，q t 4 0 0 1 8 等材料制 成。 隔板的作用是把每一级隔开，将各级叶轮分割成连续通道，隔板相邻的面 构成扩压器通道，来自叶轮的气体通过扩压器把一部分动能转换为压能。隔板 的内侧是迥流室。气体通过迥流室返回到下一级叶轮的入口。迥流组内侧有一 组导流叶片，可是气体均匀地进入下一级叶轮入口。 3 级问密封 b c l 4 0 6 a 型压缩机级间密封采用迷宫密封，在压缩机各级叶轮进口圈外 缘隔板轴孔处，都装有迷宫密封，以减少各级气体回流。迷宫密封是采用锻铝 制成，有这种较软的材料主要是为了避免损坏轴套和叶轮。 为避免由于热膨胀而使密封变形，发生抱轴事故，一般将密封体做成带有 l 形卡台。密封齿为梳齿状，密封体外环上半用沉头螺钉固定在上半隔板上， 但不固定死，外环下半自由装在下隔板上。 4 叶轮 叶轮采用闭式、后弯型叶轮。叶轮与轴之间有过盈，热装在轴上。叶轮上 的叶片铣在轮盘上，再把轮盖焊在叶片上。对较窄的叶轮，焊接伸到弯曲的叶 片和轮盖相接处有困难，叶片可铣在轮盖上。把叶片焊到平坦的轮盘上比较容 哈尔滨理t 大学t 程硕l ：学位论文 易。对更窄的叶轮，则采用开槽焊接。 5 推力盘 叶轮一开始旋转，就收到指向吸入侧的力，这主要是因为轮盖和轮盘上作 用的压力不同造成推力不等的原因。作用在叶轮上的轴向推力，将轴和叶轮沿 轴向推移，一般压缩机的总推力指向压缩机进口。为了平衡这一推力，安装了 推力轴承和平衡盘，平衡盘平衡后的残余推力，通过推力盘作用在推力轴承 上。推力盘采用锻钢制造而成。 6 支撑轴承 b c i a 0 6 a 型压缩机的支撑轴承，根据需要选用可倾瓦轴承。这种滑动轴 承是由油站供油强制润滑，轴承装在机器两端端盖外侧的轴承箱内。 在轴承箱节油孔处装有节流圈，或在前管路中有流量调节器根据运转是轴 衬温度的高低，来调整节流圈的孔径，或调节流量调节阀开启度控制进入轴衬 的油量，压力润滑进入轴衬进弦润滑并带走产生的热量。 可倾瓦轴承有五个轴承瓦块，等距离地安装在轴承体的槽内，用特定的定 位螺栓定位，瓦块可绕其支点摆动，以保证运转时处于最佳位置。 瓦块内表面浇铸一层巴式合金，有锻钢制成的轴承体在水平中分面分为 上、下两半，用销钉定位螺钉紧固，为防止轴承体转动，在上轴承体的上方有 防转螺钉。 7 推力轴承 止推轴承采用金斯伯雷型止推轴承。止推轴承的作用是承受压缩机没有完 全抵消的残余的轴向推力，以及承受摩片联轴器产生的轴向推力。 根据需要止推轴承装在止推轴承外侧的轴承箱内。 金斯伯雷型止推轴承也是双面止推的，轴承体水平剖分为上、下两半，有 两组止推元件，每组一般有6 块止推块，置于旋转时推力盘两侧。推力瓦块工 作表面浇铸一层巴式合金，等距离的装到固定环的槽内，推力瓦块能绕其支点 倾斜，使推力瓦块均匀的承受挠曲旋转轴上变化的轴向推力。 3 3 离心压缩机性能 离心压缩机的使用可以使我们获得理想状态下的压力，从而满足工业上的 需求。对于高压状态下的离心压缩机，要保证其正常运行，就必须使其满足一 定的条件，达到一定的要求，从而保证离心压缩机的正常工作。达到生产的指 标，满足工业的需要。对于b c i a 0 6 a 型高压离心压缩机，要使其正常运行， 以下条件应该满足，具体情况如下表： 表3 - 1b c l 4 0 6 a 型高压离心压缩机运行工况 t a b l e3 - 1b c i a 0 6 ah i g h p r e s s u r ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s 名称低转化率上况高转化率工况 8 5 u正常1 3 0 u正常 立方米d 时2 5 0 0 0 02 5 0 0 0 02 5 0 0 0 02 5 0 0 0 0 进口压力( m p a ) 1 5 11 5 11 5 11 5 1 进口温度( o c )5 05 05 05 0 进口压缩性系数( z i )1 1 0 1 1 01 0 91 1 0 进口容积容量( 立方米d 时)2 2 5 92 2 4 32 1 8 42 2 2 4 分子量3 2 1 73 7 8 25 8 7 44 5 1 9 出口压力( m p a )1 7 31 7 31 7 3 1 7 3 出口温度( o c )6 7 66 6 26 7 16 7 1 出口压缩性系数( z i )1 1 l1 1 l1 0 91 1 0 所需功率( k w ) 1 8 7 71 8 7 l1 9 3 81 8 8 0 转速( 转，分) 1 0 9 7 3 1 0 3 5 5 8 8 0 0 9 6 7 4 性能曲线数 4444 多变效率 0 7 3 l0 7 2 9o 6 9 00 7 1 9 多变能苗头( k g m ) 1 31 4 3 8 71 1 3 1 9 3 07 0 8 4 2 89 3 8 5 4 3 3 4 密封要求 1 密封系统各项参数稳定。消耗量小于0 3 m 3 h 。 2 满足机器处于高气压下启动的特性，装置临时停车检修，压缩机短时 间停机后启动，此时系统必须仍处于1 3 - 1 6 m p a 。 3 满足轴位移的要求： 压缩机转子的轴位移要求控制在0 。2 5 0 。3 3 m m 范围内。 4 满足a p l 6 1 7 国际标准的要求，连续三年操作无须停车检修。 3 5 干气密封结构式的确定 干气密封按其结构可以分为一个、两个串联和两个双联3 种大致方式呷 ， 哈尔滨理t 大学t 程硕上学位论文 其特征如下： 1 一个密封形式( 图3 - 2 ) ，只使用一个干气密封也能抑制被密封气体的 泄漏，结构简单。但是由于通过密封面的气体时原样不变地向大气侧泄漏，所 以