（化学工程专业论文）干气密封在螺杆压缩机上的应用研究.pdf

人迩理 ：人。专、i k 。他颁上学位论文 摘要 1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机是中同彳确 1 辽阳秆化分公司聚酯厂的艾键动设备，一日 现问题，将会导致聚酯装置的停工，直接影响辽阳行化聚酯厂以及辽阳石化公司的经济 效益。本文分析了1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机碳环密封存在的问题，评比了离心式压缩机 常用轴封方法，提出将碳环密封改成干气密封。在分析比较于气密封的布置犁式基础上 确定本蝶杆压缩机采用双端面干气密封结构。阐述了干气密封设计要点。通过对干气密 封工作原理的分析、密封性能计算、绘制出影响1 二气密封性能的曲线，得 h 温度、压力、 膜厚等凶素埘干气密封一陀能的影响规律。阐述了干，e 密封系统设计。设计的干气密封在 试验台进行试验，验证密封设计的准确性。2 0 0 6 年8 月将干气密封安装存乍产现场进行 应用考核，干气密封一直稳定运转、干气密封系统完全可靠，运行参数达到设计要求。 1 2 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机密封改造成功，为螺杆压缩机的稳定运行消除了隐患，为干气密 封技术的应用开辟了新的空间。 关键词：螺杆压缩机；干气密封；螺旋槽 十气密封舀叫螺杆爪缩帆一卜的麻川训f 究 t h ed r yg a ss e a lo nt h es c r e wc o m p r e s s o ri nt h ea p p l i e dr e s e a r c h a b s tr a c t s c r e wc o m p r e s s o r12 0 7 一k 0 3 0 4i s l i a o y a n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n yo fc h i n a p e t r o l e u mk e yd y n a m i cp o l y e s t e rp l a n te q u i p m e n t ，i ft h e r ea r ep r o b l e m sw i t hp e t p l a n tw i l l r e s u l ti nt h es u s p e n s i o n ，ad i r e c ti m p a c to np o l y e s t e rp l a n ti n l i a o y a n gp e t r o c h e m i c a la n d l i a o y a n gp e t r o c h e m i c a lc o m p a n ye c o n o m i cb e n e f i t s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a r b o n 12 0 7 一k 0 3 0 4s e a ls c r e wc o m p r e s s o rp r o b l e m s ，e v a l u a t i o no ft h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rs e a l c o m m o n l yu s e dm e t h o d ，t h ec a r b o nr i n gs e a li n t oad r yg a ss e a l a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h ed r yg a ss e a la r r a n g e m e n to ft h et y p ei d e n t i f i e do nt h eb a s i so ft h ed o u b l e e n ds c r e w c o m p r e s s o rd r yg a ss e a ls t r u c t u r e o nt h ed e s i g nf e a t u r e so fd r yg a ss e a l d r yg a ss e a lo ft h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea n a l y s i s ，s e a l i n gp e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ，t om a po u tt h ei m p a c to f d r yg a ss e a lp e r f o r m a n c ec u r v e ，d e r i v e dt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，t h i c k n e s sa n do t h e rf a c t o r so n t h ed r yg a ss e a lp e r f o r m a n c eo ft h el a w d r yg a ss e a lo ns y s t e md e s i g n d e s i g no fd r yg a s s e a lt e s ti nt h et e s tb e dt o v e r i f yt h ea c c u r a c yo fc l o s e ds y s t e m s a u g u s t2 0 0 6w i l lb et h e i n s t a l l a t i o no fd r yg a ss e a la p p l i c a t i o n si nt h ep r o d u c t i o no ft h ef i e l da s s e s s m e n t ，t h es t a b i l i t y o fd r yg a ss e a lh a sb e e nr u n n i n gd r yg a ss e a l s y s t e mi sf u l l yr e l i a b l e ，a n do p e r a t i o n a l p a r a m e t e r sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 12 0 7 一k 0 3 0 4s u c c e s s f u lt r a n s f o r m a t i o no fs c r e w c o m p r e s s o rs e a lf o rs c r e wc o m p r e s s o r sa n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h ee l i m i n a t i o no ft h ep o t e n t i a l f o rt h ed r y g a ss e a lt e c h n o l o g yh a so p e n e d u pan e w s p a c e k e yw o r d s ： s c r e wc o m p r e s s o r ；d r yg a ss e a l ；s p i r a lg r o o v e 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：王氢窒封查竖盘压缰狃土鲍廑周盟壅 作者签名：兰奎耋e 一 日期：学年生月j 丛日 大连理t 大学硕 j 研究生学位论文 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：王氢窒封查竖盘压缠扭土鲍廑周盟窒 作者签名： 坐弛日期：驾年垒月j 三日 导师签名： 绐妄! l 一一一一日期：兰毕年星l 月垡l 日 大连埋i ：火学专、i p 学位顾一l 学化论文 己l 宣 ji 口 1 2 0 7 一k 0 3 0 4 蝶杆压缩机是中同z 】 由辽阳f i 化分公司聚西旨厂的关键动设备，一旦 现l u j 题，将会导致聚酯装置的停工，直接影响辽阳石化聚酯j 以及辽阳行化公司的经济 效益。 本文分析了1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机碳环密封存在的问题，评比了离心式压缩机常 用轴封方法，提f “采用干气密封替代碳环密封。 干7t 密封是二十世纪六十年代木期从气体动j 玉轴承的基础上发腱起来的一种新型 非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端血上开设动压槽而实现密封 端而的非接触运行。经过数年的研究，英国的约翰克兰公司于七十年代末期率先将干气 密封虑用至0 海洋平台的气体输送设备卜，并获得成功。干气密封最初是为解决高速离心 压缩机轴上寸问题而f h 现的，由于密封非接触运行，凶此密封摩擦副材料基本不受p v 值 的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。国内一螳密封厂家也于九十年代末期开 始研究并加以发展，将干气密封技术应用剑- j ：业生产中。 而辽阳石化公司聚酯厂压缩机组采用干气密封是否可行，需要进一步进行论证，对 采用干气密封的效果进行评估，如效果良好，可对其他压缩机组和关键机泵进行相应改 造。 十气衙j 寸住螺杆jk 缩机j ：的应, t l j f i 3 t ：究 1干气密封的发展状况 高速旋转的离心压缩机组，其轴端密封卜要有迷宫密封、碳环密判。、浮纠：密封、机 械密封和干乒e 密封( 表1 ) 五大类。迷宫密封通过梳齿间隙对气体产生节流效应而起密 封作用，适用于对泄漏要求不高且压力较低的场合，若采1 1 j 抽气、充气式结构，则叮密 封危险性或较高压力的气体。但因迷宫较长而增大了转子的轴承跨距，降低了高速转子 的动力学性能。碳环密封是一种类似于迷宫密封的间隙密封装置。这种密封一般用于 一，、 低压、低温场合。密封泄漏最低于迷宫密封。为阻止工艺，e 体泄入大气，在碳环组之间 注入缓冲ze 体。机械接触式密封通过端面接触达到密封目的，但其极限速度较低，阻封 气体消耗晕大【2 儿引。浮环密封在我国白行设计制造的离心式压缩机轴封上应用较普遍， 2 0 世纪8 0 - - 9 0 年代引进机组也有采用机械浮环组合密封的，其主要缺点为阻封，e 体消 耗最大，且油系统复杂，投资多，占地面积大，运行维护费用高。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，不需密封油系统，功率消耗少，运行维护 费用低，是目前最先进的密封形式，近年引进的压缩机组多采用干气密封。 干气密封是二十世纪六十年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型 非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封 端面的非接触运行。经过数年的研究，英国的约翰克兰公司于七十年代末期率先将干气 密封应用剑海洋平台的气体输送设备上，并获得成功。干气密封最初是为解决高速离心 压缩机轴封问题而出现的，由于密封非接触运行，因此密封摩擦副材料基本不受p v 值 的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。国内一些密封厂家也f 九十年代末期开 始研究并加以发展i 将干气密封技术应用到工业生产中【4 | 。 与普通机械密封相比，干气密封在结构方面没有很特别的地方，其丰要区别在于： 干气密封的动环密封面上精加工有均匀分布浅槽，干气密封之所以能在拈接触状态_ 卜- 运 行就是靠这些浅槽产生流体动脉效j 蟛使密封而分开。以螺旋楷嘶干气密封为例1 5 1 1 6 1 1 7 j ， 它由动环、静环、弹簧、0 形幽、轴套等组成。动环表而精加工出一定数最的螺旋柑后 研麽，密封面抛光，螺旋槽开头近似对数螺旋线，螺旋惜深度3 l o l a m i 引。 人选婵人铷旷位硕上学f 论文 动纠：旋转时，被密封的7 体周向吸入螺旋槽内，由外径朗向 1 心，释向分最朝着密 封坝流动，而j 密封坝1 l j 制气体流向中心，于足气体被压缩引起压力丁| 高。此流体膜层压 力食图推开密封，形成要求的气膜pj 。在此厚度气膜下，由气膜作用力形成的开启力与 由弹簧j ：_ j l i 介质作川力形成的闭合力达到平衡，于足密封实现1 f 接触运转。此平衡i l i j 隙 ( 即膜厚) 典开! 值为3 p m 1 0 j 。 干气密封的密封面i h j 形成的气膜具有一定的正刚度，保证了密封运转的稳定性。螺 旋槽干气密封在正常运转条件下，其闭合力( 弹簧和气体作用力) 等于开启力( 气膜作 用力) ，这是理想的设计工况。若受到外米下_ 扰( 如工艺或操作波动)，间隙( 气膜 厚度)减小，则7 体的粘性剪切力增人，螺旋槽产生的流体动压效应增强，气膜压力 增大，开肩力大于闭合力，为保持力的平衡，密封恢复到原来的间隙；反之，若密封受 到干扰，气膜厚度( 即i 、i j j 隙) 增人，则螺旋槽产生的动压效应减弱，气膜压力减小，开 启力小于闭合力，密封恢复到原来的间隙。凶此，只要征设计考虑的范围内，当外来干 扰消除后，密封即能恢复到没计的工作问隙，这样干气密封的运行稳定可靠，衡量密封 稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小。气膜刚度是气膜作用力的变化j 气膜 厚度的变化之比。气膜刚度越大，表明密封的抗干扰能力越强，即密封运行越稳定。 因此，干气密封作为不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统，i e 取代 浮环密封、迷宫密封和机械密封而成为白化行业高速离心压缩机轴封的丰流。 表l 各种轴封型式优缺点对比 t a b 1 c o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u ss e a lt y p e s 轴封型式优点缺点 结构简单、t 作町靠、能最消耗低， 迷寓密封对转速没有限制、h 可以在高温所：境 中使用。 彳i 需要润滑剂来润涮：彳i 会产牛l f , - j - d i i 碳环密封的轴振动；其泄漏量与普通的迷t 密 封牛h 比婴小。 压差较低、密封泄漏鼋较大，机械效哞i 损 失人；微粒吸入造成元件的损坏以及对周 围流体的污染：不适于易燃、易爆、有毒 气体的场合。 i 能达到完全无i l = 漏，这种惭封般川于 低压、低温场合，其内表向与旋转轴| r j 问 隙较小，易磨损。 十气脊上杓：螺杆，丘缩机 ：的应jlj 形f 歹( 翮制淼篇渊_ 恪蔗然戮器尝 机械密封蓑曩霎了速、微泄漏、微磨损、寿命蠹耋蚕茏篓荔茉翥鬟篆茹荔昌 ，。翌翌譬。嬖：，节竺譬登：誓煮i 暨令的 需要柯稳定的密封气源，资金一次陆投入 干气密封 煮裂翌委答。，、鼍薹瓮：皇磐! 磐2 h ，聂父。 。 一 。一 消除了密封油对工艺必路污染的口丁 一。 2干气密封基本结构、作用原理及特点 2 1干气密封的基本结构 用于离心式压缩机的干气密封，其结构与普通离心泵用机械密封基本相同，主要由 动环与静环组成的密封副、弹簧和辅助密封圈等元件组成。它的最大特点是，在动环、 或静环密封面上部分地区加工出均匀分布的浅槽，其槽深只有儿微米。 压缩机用干气密封的槽型有多种，如单向螺旋槽型( 见图1a ) 、双向旋转t 犁槽 ( 见图1b ) 、双列反向螺旋槽( 见图ic ) 【，已经在吉林化肥厂合成气压缩机上应 用等，其中应用最广泛的足螺旋槽。 工 节甲 - 卜 a南 t 吒 r 冠列寞目嶂据辋 i f i gi 加r 有螺旋槽的密封端血基本结构见罔2 。主要由螺旋椅、密封堰和密封坝一部分 组成，在密封环端面外径r ：与直径r 。2 州的部分地区加工出如图所示的产生动压效应的 螺旋槽称为流体动压槽。在螺旋槽之自j 的平台称为密封堰，它b f lj l ：气体圆周方向的流 动，可以加大升压作用。在槽内径r 。与环内径臣之间称为密封坝，密封坝的作用一是保 t l f 螺旋槽产生足够的流体动压力，而是保证密封在静止时不产生泄漏。即流体动压槽起 萧泉送作用，形成流体膜，产生流体膜承载能力( 螺旋槽产生流体膜静、动压承载能力) ； 密封堰产生流体膜静、动压承载能力，阻止流体同周方向的泄漏；密封坝产生流体膜静 握承载能力阻止流体半径方向的泄漏。山此可见。这种密封副的端而密封实质上是山 轴承部分( 承载部分) 与密封部分( 5 h 漏部分) 匀【成的流体静、动压气体端而机械密封。 常封端t r a i n ：的螺旋槽的槽型线有对数螺旋线和阿墼米德1 5 ； 旋线。1 2 0 7 k 0 3 0 4 螺 丘缩机动环南封面采川的是对数螺旋线。1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封动耶端而 的基水结构如图2 所示。其螵旋线的矢径为 r = r g e 。一。”“ o 。 t 产己密j 二t f ，i ：螺4 - 1 j 约西杉li j f j i o , 7 j i i f u 了 一一丁置匀 控拧备口 幽2 f i g 2 式中，r g 槽底半径，m m ：a 为槽角，即流褙切线与圆周切线的火角，为1 6 。；o 为 转角。 由于对数螺旋线的螺旋角为常数，故这种螺旋线称之为等角螺旋线。也有的密封采 川# 可基米德螺旋线，但其螺旋角足变化的，螺旋线较长、膻力较高，但效率较低：而对 数螺旋线较短、压力较低，f 日效牢较高。另外，采用对数螺旋线，螺旋角为常数，有利 于求解和。陛能预计。 2 2 干气密封作用原理 干气密封在运转时实际上足利j j 流体动膻槽产生的流体动压力与流体静压力和弹 簧元件弹力之合j 的土l 衡，存动f 争叫：摩擦禹| j 之问形成一定厚度的7e 膜，从而达剑密封的 目的1 1 引。 f 二气密封旋转时，被密封气体h i 环外剧进入收敛形螺旋楷内，沿槽f 内径方向流动， 最终达剑密封坝，密圭寸坝限制气体流低胍侧，c 体随着蝶旋储形状的变化被压缩，住 枘根部j 上：卜局部高压区，提高了7i 体自身的压力，此膻力是动j 4 ：旋转产生的流体动压力。 流体动膻力作用j ：补偿环i ：，力图把动虾静环分i ：，称为，l ：启力f o 。作川于补偿上 的介质力和弹簧力是使动环1 - j 静m ：紧密贴合，称为闭合jf c 。在一定条件下( 压力、轴 径、转速) ，丌启力f o 与闭合力f c 梢等时，流动的气体位动静环的两个宓i l l 土寸鲫训形成 人连删1 人专、位烦一l t 位论文 一层很溥的气膜，此膜厚度在3 微米左右。气体动力学表明，当干气密封两端皿f f i j 的间 隙在2 3 微米时，通过问隙的气体流动层最为稳定。 于气密封在静止状态，当密封腔内存在介质胝力的情况下，作用在摩擦帛0 上的i 训合 力是密封气体静压力和弹簧力，促使动静密封面贴合。 摩擦副受力分析见图l o 。从图1 0 可以石山，气膜刚度足如何形成以及如何保持密 封运转的稳定性的。当受到外来因素干扰，气脱厚度减小，则气体的粘性剪力增大，螺 旋楷产牛的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，丌肩力随之增大，为保持力的平衡， 密封恢复到原来的1 1 i j 隙；反之，密封受到外来冈素干扰，气膜厚度增大，螺旋槽产生的 流体动压效应削弱，气膜压力减小，开启力变小，密封恢复到原米的间隙。只要伍设计 范吲内，当外来十扰消除后，密封总能恢复到设计的工作i i i j 隙，亦即十气密封运行稳定 可靠。就1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封而言，j f 常工况下，气膜是一个动态稳定 的薄流体层，约为3um 厚。 气膜刚度足衡量t 气密封稳定性的技术指标，气膜刚度足指气膜作用力的变化与气 膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗波动、抗外界干扰能力越大，密封运 行越稳定。气体密度越大、温度越高、轴转速越高、气膜刚度越大。 干气密封设计，就是以获得最大的气膜刚度为目的。 2 3 千气密封的受力分析 干气密封的受力分析见图3 。 气桁封和：螺十l ：压缩机 j 的、 j j l 川f 究 目目 | ：i ：合力fc fp 目目 气膜司味0 00 j mi 1 1 开崖= | 7f0 + f 一 弹簧力+ 静压力 气膜压力分布 图3 十气密封受力分析图 正常工况 fc = p0 f 4 隙减d 、 fc f0 f i g 3 s t r e s sa n a l y s i so fd r yg a ss e a lc h a r t 2 3 1 闭合力分析 f 。= f 。p 2 + f 。p j + f 。p = p 2 了【( r ；- r ：) 十p l ( r ：一r ；) + f s p 上式中：f c p 2 由外径r 2 处介质压力p 2 产生的闭合力； f c p l 由内径r 1 处介质压力p l 产生的闭合力； f s p 由弹簧产生的闭合力； r b 密上寸的甲衡半径： 2 3 2 开启力分析 开启力r f l 螺旋柑部分流体膜的丌肩力和密封堰部分流体膜的丌启力组成，该开 启力i | j 以通过计算：流体膜压力分布稃：整个密封i j 上的积分向获得，【! ： 等目掣莹。日目随 弱。圉豳一豳 人迮婵l ：人0 上专、i k 。，伊硕十0 乏何论文 r j r ， f 。一i p ( r ) 2nr dr jr i 当r i r r g ( 螺旋楷部分) 时，p ( r ) - 叮以按卜j 杉! 分求得： 塑d r = 一掣h g = 6 卿，( 1 + r ) 9 7 n r p ( h + h 暑) 力二9 5 当r g r r 2 ( 密封堰部分) 时，p ( r ) 可以按卜式积分求得： 生一一塑丝 d r 钟o h l 2 3 3力的平衡( 忽略了补偿环密封圈的摩擦阻力) 当气膜产牛的丌启力等于介质及弹簧，托生的c d j 合力，密封丌启，形成一定的工作f n j 隙 1 1 3 1 1 1 4 1 ，密封丌始i f 常运转。 2 4 干气密封的结构形式 十气密封的设计选用主要取决j e 体成分、气体压力、工艺状况和安伞要求等工况 条件。实际应用巾，干气密封主要有 j 【 种和置彤j 叫3 j ：单端而、双端丽、串联式、带中 | 1 i j 梳齿的串联j 弋。 2 4 1 单端面干气密封结构 单端面十气密封结构为单端而+ 梳踟密封，如图4 ，梳齿密封可以保h e i t t t 漏介质不直 接排向大气。单端l f l 密封结构主要用于中、低压条件r ，允许少量介质7e 体泄漏剑大气环 境中的场合。比如压缩机处理介质为窄气、二氰化碳、氮气、蕉气等对环境无污染的气 体时，采用单端而结构。 t 越捧段4 ll 削4单端面十气密封结构不恿 f i g4s i n g l e - e n ds i g n a l t h e m r u c t u m o f d r y g a ss e a l s 242 双端面干气密封结构 双端而密封主要采用面对由结构，有时曲个密封共门j 卟动环，通过采川惰性气体 作阻塞气体而成为一个性能叮柱的| | ；l 塞密封系统，见同5 。山j 二m 塞7e 体的压力总是维 持在比介质7e 体压力高o2 4 03 m p a ，圳此7l 体泄漏的方向便朝料艺介质气体，这就 保征了一艺气体4 ；会i i 】人7l 泄漏，故其1 ：要川- r 有毒、易燃易爆的4 t 体以及介质易结焦、 工艺中含有颗粒的气体。 h 人碰5 1 j 、等业学化顺l f ，论文 一 剧5 “端晰r 气桁封绌j j i 意 f i g 5t w o - f a c eh a n d sd r yg a ss e a ls t r t l e t u r e 243 串联式干气密封结构 串联式干。( 密封是应用最普遍的一种结构形式，见图6 。一个串联式千气密封可能 l | j 两绂或吏多绂千气密封按照十h 1 6 1 的方向首尾十h 连，每绒南封分担部分负荷。通常情批r 采肌埘缎结构，第级( 卡密封) 乐扒全部鱼衙，而第一绂作为备h 密j 寸币承受m j 降， n - 第缎密封和筇级街土寸之叫埘入惰阼气体就形成| f | 【寒密封，保证样封介质小向大气 泄涮。当筑一绂晰封失效时，第宝鹱嘶封i r 起剑1 ：甯封作川，慊征机灿安个停机。 | 墨| 6巾暇式千气密封结构小恿 f i g6 f a n d e md r y g a ss e a ls t z u c i u f e i n d i c a t e d 244 带中间梳齿的串联式干气密封结构 在两个串联十气密封之间增设梳齿密封，见图7 。存梳齿密封与大气侧干气密封( 二 级) 之间通入惰性缓冲7e 体，其压力略高于大气压。惰性t 体穿过迷宫南封同级密封 泄漏的工艺气同引到火抛。这样，【：艺7c 就不能泄精到大气中。通过：绂干气密封泄 人吐刑1 人：0 , i kj ，伊f 口? 忙论文 漏的只能是惰f l - 。l 体 g ：。藉# 氟# = l 幽7带中间梳齿的串联式千气密封结构示意 f i g 7 c o m b w i t h t h e m i d d l eo f t h es e r i e s i n d i c a t e t h es l m c m 化o f d r yg a ss e a l s 25 干气密封的特点 干气密封的优点： i ) 密封使j 口寿命k 、运行稳定叫靠： 2 ) 密封功率消耗小，仅为接削! 式机械密封的5 j r 右； 3 ) j 其他计接触式密封桐比，下气密封气体泄漏量小； 4 ) u ，实现介质的零逸出，足种环保型密封： 5 ) 密封辅助系统简单、可靠，使用中小需要维护。 千7e 南封为非接触式运行，密封摩擦剐材料皋本小受p v 值的限制，密封可用于高速高 地的机器州。 n 日 t 产e 鬻化螺”ji 缩机上的f 节j ij ( i j f 究 3 12 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封研究课题提出 3 112 0 7 1 k 0 3 0 4 螺杆压缩机简介 12 0 7 一k 0 3 0 4 螺卡f 瓜缩机足t j 闲f i 油辽i ；f 1 石化分公司聚【 i i 旨j 的关键动设箭，在：i ：艺 流平早中的一卜要作用是输送i ：艺巾需要的氮7 气。1 2 0 7 k 0 3 0 4 螺仃压缩机由a e r z e n f r a n c e 公司生产制造，结构为r 苛级、卧式、舣蝶卡t 压缩机组。 1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机的皋本结构： 在j i i 缩机的机体中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转予。 通常把节圆外具有凸齿的转了，称为阳转子或1 5 同蝶杆。把节网内具有凹齿的转子， 称为阴转子或阴螺杆。 阳转子与原动机连接，山阳转子带动阴转子转动。 在压缩机机体的两端，分) ；u 丌设一定形状和大小的孔口。一个供f l 及气川，称为进7e 门；另一个供排，用，称作排气口。 1 2 0 7 一k 0 3 0 4 蝶卡t 压缩机，i ：作原理： 螺杆膻缩机的工作循环可分为进气，压缩和排气三个过程。随管转子旋转，每对 相互u i i 合的齿相继完成桐h 的j i ：作循环。 a 进气过程：转子转动时，阴| j i 】转予的齿沟窄问往转垒进气端擘丌几时，其空间 最大，此时转子齿沟空间j 进气r l 的相通，冈在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完 成时，齿沟处f 真空状念，当转下进气口时，外界气体即被i 吸入，沿轴向进入阴阳转子 的齿沟内。当气体允满了整个止i a i7 , , j i l 寸，转了进气侧端转离机壳进气r ，在齿沟的气体 即被土寸闭。 b 压缩过程：阴刚转了存吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机毛封c d j ，此时气体 在衡沟内不再外流。其啮合山i 逐渐阳排气端移动。啮合面与排气口之问的齿沟窄l 日j 渐渐 减小，齿沟内的。e 体被爪缩爪力提高。 c 排7e 过程：当转于的啮合端嘶转剑与机壳排7e u 槲通时，被l 压缩的气体丌始排 出，直仝齿尖齿沟的啮合而移下排7 t 端嘶，# l h , t l ；y 】阳转子的啮合而j 机壳排气口的齿 人连胖一l 人学与- , i k 学f 倾i - 学位论文 沟空f u j 为零，i ! i 】完成排气过程，存此同时转予的u 止合面与机壳进气u 之| i j j 的齿沟长度义 达到最艮，进气过程义冉进行。 从i ：述上作原理i i j 以看f | ，1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机是一利- i ：作容积作网转运动 的容秘式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容移 的变化又是借助压 缩机的一对转子在机壳内作网转运动来达到。就主要部件的运动形式而言，又o 离心压 缩机市h 似。所以，螺杆压缩机同时具有活塞压缩机和离心压缩机的特点。 1 2 0 7 k 0 3 0 4 螺杆压缩机工作原理图如卜所示： 域-时了 1 7 二2 簿崤c b ) 一、 ，。 缀 一砖二飞：y 弋j 媸一殳夕 二午 _ = 、。二 瓣 邛二1 j 图81 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机工作原理蚓 f i g 8 w o r k12 0 7 k 0 3 0 4s c r e wc o m p r e s s o rs c h e m a t i c 1 2 0 7 k 0 3 0 4 螺杆压缩机的主要技术性能参数： 位号：1 2 0 7 一k 0 3 0 4 设备型号：v m 3 1 0 - 2 介质：氮气+ p t a 粉末 流量：3 1 6 8 m 3 h 轴功率：l3 0k w 转子转速：8 2 6 6r p m jj斗乜l，ir ：、，一 、1 蕊刘 j一。， 卜 配川电机型号：p s l 315 l 2 8 3 l b 配jm 乜机功j 钲：2 0 0k w i 【i 己jt ji u 机转迷：2 9 6 0r p m 入11j 卡力：0 10 1m p a 出口压力： 0 2 4m p a 入r 1 温度：4 0 山口温度：15 0 旋向：从电机方向看压缩机主机主动轴旋向勾顺f 、r ”聪转 3 212 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机原密封结构与存在问题 12 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机原密封采川的址碳环磐。：封”结构_ j 崽l 划9 ： 吲91 2 0 7 一k 0 3 ，i ) 疑 _ ”i 。i 一“小i 川； f i g 9 l2 0 7 - k 0 3 0 4c t t l h l ) 1 1f _ 1 1 1 荽 c j “：_ 、l ：1 1 1 l p 】c 、“) i ( i i a 譬l 。i l r l l 人连理上人学专、i 匕学位硕士学位论义 碳环密封是一种间隙密封装置，碳纠：与轴之问在肜成一系列：肖流问隙，为阻止工艺 气体泄入火气，存碳环组之间汴入缓冲气体，被密封介质通过扣流间隙t - i 、时产牛育流效应 而达到阻封目的。在密封靠近大气侧设置有一油封，起隔离轴承润滑油的作用，阻止润 渭油进入碳环区域。该密封为非接触密封，其结构简单，运行可靠，但由于1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机介质中含有p t a ( 对苯二甲酸) 粉尘，p t a 粉术由于工艺波动等凶素的影响 会进入剑碳环与轴之叫的问i 隙，引起碳环与轴磨损。当碳环 二i 于磨损内t l ) t ij 达到定 值时，密封泄漏量超标，密封失效。由于介质中p t a 粉术的存在，极大的影响了该密封 的使用寿命，其平均使用寿命仅为两个月i 宠右，给机组的正常工作带来严重的影响。 3 312 0 7 - k 0 3 0 4 螺种睚瑚黼究课题提出 针对1 2 0 7 二k 0 ：3 0 4 蝶杆_ ! 压缩机装置原该环密封存在的上述问题，为了提高螺杆压缩 机运i j ：的“j + 靠性和稳定性，保证机组和装置的k 周期安全运行，提高装置的运行水平和 经济效益，进行1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机密封改造成干气密封的研究与应用，以彻底解 决困扰压缩机长周斯运行的轴封问题： 3 4 12 0 7 - k 0 3 0 4 璩秆压缩觎正气密封结构 1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机所处理的介质是氮气+ p t a 粉末，属于含有颗粒的气体；入 口压力：0 1 0 1 m p a ，出1 2 1 压力；0 3 m p a j , 属于使用压力较低情况。对比上述几种干气密 封结构，结合螺秆诳浠机具钵盂砟泵孺一以及考虑原密封腔体窄间尺寸，1 2 0 7 一k 0 3 7 0 4 螺杆压缩机轴封型式没计成共用动环的双端面干气密封，其结构见图1 0 。干气密封的动 环端面开有螺旋型流体动压槽。；一台机组采用四组结构相同的双端而干气密封，分别安 装在| 5 u 转了与阴链王舱驱动与非驱动两斟，童扫环端面流体动压槽型的方向根据转子的旋 转方向确定。 卜7t 密封和j i 煤书_ ：j 压约 f 尉【i ：| ：； j 戍j = i 训f 究 愈陵馘， 、 ， 大气侧 图10 12 0 7 k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封结构示意图 f i g 10 12 0 7 k 0 3 0 4s c r e wc o m p r e s s o rd r yg a ss e a ls t r u c t u r ed i a g r a m 3 4 112 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机千气密封结构特点 1 2 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封结构具有以下特点： 1 ) 介质气不会直接泄漏到大气，属于环保型密封在干气密封腔中通入惰性氮气( 经 过精过滤器净化处理) ，压力比缓冲气管线中的气体压力高约0 2 - - 0 3 m p a ，对介质气 起到封堵作用，泄漏方向是惰性氮气从干气密封腔向介质侧泄漏，可以防止介质气直接 泄漏到大气中。 2 ) 密封为静止式结构、受离心力影响小干气密封设计成静止式结构，旋转件只有 动环、轴套等少数零件、且旋转零件结构简单对称。而且还将旋转件在动平衡试验机上 作了动平衡试验，冈此受高速离心力的影响很小。小弹簧不随轴旋转，不受离心力影响， 作用在密封端面的弹簧力在圆周上分布均匀、稳定。 人造婵上人。产专、眇：乏f t 顺上。侮论文 3 ) 密封系统简单、操作方便、易于控制1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封需要的 辅助系统简单、可靠，操作方便，易于控制，使j j 中不j 蔷要维护。 4 ) 密封端面无磨损、使用寿命长1 2 0 7 - k 0 3 0 4 螺朴压缩机十7i 密封运行时密封端 而不商接接触，无摩擦、磨损，摩擦功耗低，寿命长，一般为：3 年以上。 5 ) 干气密封设计时未改变原密封腔尺寸与接口将碳环密封改造为舣端嘶干气密 封，未改变原密封腔体的结构与尺寸，充分禾t 1 l l j 原碳环密封的安装空| 、f j 。干气密封控制 系统密封气入口借用原来的碳环密封的缓冲气入口。 6 ) 轴承润滑油也不会窜入干气密封。 3 4 212 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封材料 当螺杆压缩机十气密封结构确定之后，摩擦剐、弹簧、密封罔等密封元件材料是保 证密封正常运行与足够使用寿命的重要条件，在某些工况下还往往成为解决密封l u j 题的 的技术关键。密封元件尤其足摩擦剐材料的选择是复杂的。密封冗件材料确定需求根据 密封的具体工况条件。针对1 2 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机工况，选择的f 气密封丰要元件材 料： 动环：无压烧结碳化硅 静环：浸渍金属碳石墨m 1 2 0 d 密封圈：氟橡胶 弹簧：315 l 摩擦副材料选择摩擦剐由动研：与静环组成，是干气密封关键元件。要求选择的材 料具有耐介质的腐蚀、耐热与抗热裂性能好、导热性系数高，热膨胀系数小、能承受短 时间的干摩擦。动叫：材料还要求能承受高速离心力的作用。1 2 0 7 一k 0 3 0 4 螺杆压缩机干 气密封摩擦剐材料选择的是无压烧结碳化砗与浸锑碳秆墨m1 2 0 d 组刘。 高速旋转动环的离心应j 非常人，密度人的材料制成的动环离心力就大；密度小的 动环，离心力 j 然就小。1 l t ：界上多次发生密度大的硬质合金( 密度13 6 9 c m 3 ) 动环碎 裂事故，因此淘汰硬质龠金，选择了密度只仃蚀质合金1 4 ( 密度3 4g c m 3 ) 的碳化硅， f 气：年：上j 卜螺十f ：w f i i f l , j t 卜的j 娩j | j f i j i 究 碳化硅的离心应力也足前者的1 4 。而且碳化硅l 订优良的耐热冲击性能、r 岛的导热系 数、存介质中耐腾蚀、o 其它榭料配对具仃极小的胯撩系数等优点，这是移上寸 j ：业一随 追求的性能。所以1 2 0 7 k 0 3 0 4 螺t f = 压缩机干气密封选用尤压烧结碳化辟作动环，它具 仃良好的综合性能。 静环选用没锑碳f i 墨m 1 2 0 d ，在介质f f l 耐腐蚀、具有较高的抗压强度、孔隙率小、 导热系数高、热膨胀系数小、与碳化硅组对摩擦系数小、具有良女r 的摩擦相容性。 大连肚i ：人0 l k 产他硕f ：! 学位论文 412 0 7 - k 0 3 0 4 螺杆压缩机干气密封的1 $ 6 e 计算 4 1 结构参数和特性 密封血内外半径比r = r 1 r 2 = 0 7 6 8 4 2 密封面半均半径 槽数 槽角 槽深 堰槽( 蒯向) 宽比 槽面( 径向) 宽比 坝面( 径向) 宽比 膜厚比 r 。，2 4 2 m m n g = 1 2 q = 1 6 0 h 譬2 7 5um y=qw qg = 1 0 b g = b g b f = ( r 2 一r g ) b f = o 5 5 b b = b b b f = ( r g r 1 ) b f = l b g = 0 4 5 h = h ( h + h g ) = 0 3 3 密封面平衡比( r - f 乖r i ) b = ( d ；一d ；) ( d ；一d ；) = 0 6 螺旋槽气体端面密封的主要性能参数有： 泄漏量 密封面压差 转数 摩擦系数 流体膜承载能力 膜压系数 密封旺载倚 q p s n f w k i n = w ( p s a f ) = p m p s p = p g a t - = ( b p s + p s p ) a t 载荷系数 k g ：p g ( p s a t ) = b + p s p p s 功率? f i j 牦 n = t n - 兰三! 掣 一2 1 十7 ：密封n ：4 蝌十| 卜钳机 ：f 向应i j 似f 究 流体膜轴向刚度k z = w a h 4 2 工艺设计参数 密封面外径处j 玉力p ，= 0 4m p a 密封面内径处压力p 。- - 0 1 m p a 最大连续转速n = 8 2 6 6 r m i n 温度 入口4 0 。c出口1 5 0 氮气动力粘度 温度， 2 002 04 06 08 01 2 01 5 0 动力粕度，p a s 1 5 7 5 1 6 61 7 4 81 8 3 51 9 2 52 02 1 5 02 2 9 0 气体常数 r 删，= 8 3 1 0 2 9 j ( k g k ) 4 3 控制方程 4 3 1假设条件 ( 1 ) 连续、完全的气体流动； ( 2 ) 密封气膜巾的气体作层流运动，而且符合牛顿粘性定律，属于牛顿流体； ( 3 ) 等温等粘条件：密封非接触，热章产生非常少，忽略气体温度和粘度的变化； ( 4 ) 气体分子与密封表面尤相对滑移； ( 5 ) 忽略7 毛体的惯性力和体积力； 另外，对于密封环和密封系统结构，冉作如下假设： ( 1 ) 密封为刚性端面。密封环材料的弹性模最高、刚度大，忽略密封环变形对。t 体流 动的影响； ( 2 ) 密封的刈l i 性好，忽略存工作过程中系统扰动和振动对，e 月灸流场的影响； ( 3 ) 密封端面仆常光滑，忽略密封端杓i 糙度对气膜流场的影响： 人选彤一l ：人专、j k7 学f 倾 j 学位论，：( = 4 3 2 基本方程 f 气密封的理论丛伽源_ j 螺旋槽推力轴承，气体，_ q 硼勺动l j i 效应服从前潇方程，目 前对宙诺力程求解的仃效途径足采j j 数值方法，通常采用差分法或有限兀法。雷诺方程 的一般形式是： v ( ph ( 1 2u ) v p ) = v ( ph v 2 ) 考虑理想7e 体，则p = p q ( 其中q 为常数) 则气体雷诺方程t j 改写为： v ( p h ( 1 2u ) v p ) - - v ( p h v 2 ) 对上式进j j ：无嚣纲化，没： x=x r o ，y = y r o ，p = pp o ，h = hh o ，u = uu o ，v = vu o ，整理后无量纲的 气体雷诺方程为： v ( p h v p ) = 人v ( p h v ) 其中人- = 6 u o r o ( h 0 2 p o ) p 尢晟纲压力 h 无量纲气膜厚度 u 、v _ 一无昂纠速度分量 x 、y 无