（机械设计及理论专业论文）螺旋槽干气密封端面流场的数值模拟及参数研究.pdf

西华大学硕士学位论文 螺旋槽干气密封端面流场的数值模拟及参数研究 机械设计及理论专业 研究生李凤芹指导教师王强 螺旋槽干气密封作为一种非接触式并且能理论上达到“零泄漏 的新型密 封，与其它密封相比，具有可靠性好、寿命长、环保、经济等优点，在石油化 工领域的应用越来越广泛。 目前关于干气密封的研究也进行了大量的工作，然而目前大部分研究工作 都是集中在将问题简化为二维模型进行分析气膜的流场，本论文的目的就是通 过建立符合实际物理模型的三维螺旋槽气体密封的数学模型，对气体密封进行 数值模拟研究。 本文在螺旋槽气体端面密封分析中，根据有限元分析原理，建立了假设条 件下的数学模型，详细推导了气膜压力场的稳态控制方程，然后对控制方程进 行离散，得到离散方程组，推导了气体端面密封一般的有限元分析方法。 基于近代计算流体力学c f d 的快速发展，在综合国内外的大量文献资料的 基础上，本文着重从计算流体力学c f d 角度、从整个未简化的流体力学控制方 程出发，基于有限体积法，采用g a m b i t 对螺旋槽密封气膜的流场进行建模，划 分网格，解决了微尺度和宏观尺度相结合而导致的网格划分的难点，并应用流 体分析软件f l u e n t ，求解模拟得到了气膜的流场，并与文献实验值相比较，得出 了正确的气膜压力场，并对密封特性做了相应的理论分析。 在对螺旋槽密封端面流场进行正确分析的基础上，本文深入地对气体端面 密封的稳态特性、密封参数对密封性能( 主要是泄漏量和气膜刚度) 的影响进 行分析研究，并结合实例对螺旋槽干气密封端面槽形参数进行优化，以保证最 低泄漏量的同时得到最大气膜刚度，从而为进一步的研究奠定基础。 总之，本文通过对螺旋槽气体端面密封特性的深入研究，为螺旋槽气体密 西华大学硕士学位论文 封的工程设计及应用提供了理论支持，还为以后的动态、力变形和热变形等研 究打下理论基础。 关键词：螺旋槽；干气密封；c f d ；f l u e n t ；压力场 i i 西华大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp a r a m e t q e r i c a lu l a t i o na na r a m e t e r s r 。e s e a r c 。h o ns p i r a lg r o o v eg a sf a c es e a l sf l u i df i e l d m a j o r m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y m a s t e rc a n d i d a t el if e n g q i n s u p e r v i s o rw a n gq i a n g a sa n o n - c o n t a c t i n gs e a l ，t h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l sc a na c h i e v et h e z e r o l e a k a g ef u n c t i o nt h e o r e t i c a l l y c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e ss e a l ，i th a v et h em e r i t s o fr e l i a b i l i t y , l o n gl i f e ，n op o l l u t i o na n de c o n o m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，s oi ti sm o r ew i d e l y u s e di nt h ep e t r o l e u ma n dc h e m i c a li n d u s t r i a l s r e c e n t l yt h e r ea r el o t so fi n v e s t i g a t i o n sa b o u ti t ，b u tm o s to ft h e ma r ef o c u s e do l l s i m p l i f y i n g t h e p r o b l e m a st w o d i m e n s i o n a lm o d e lf o r c o n v e n i e n c e b y t h r e e - d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e lo ft h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l ，w h i c hi sa g r e e d w i t ht h ea c t u a lp h y s i c a lm o d e l ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e g a ss e a la n dm a k e sr e a d yf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hl a t e r i nt h ea n a l y s i so ft h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l s ，a c c o r d i n gt ot h ea n s l y s i st h e o r yo f f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t w o - d i m e n s i o n a lm o d e l i sc r e a t e du n d e ra s s u m p t i o na n dt h e s t e a d y s t a t ec o n t r o le q u a t i o ni sd e d u c e d ，t h e no b t a i nd i s c r e t ee q u a t i o n sb yd i s c r e t i n g t h ec o n t r o le q u a t i o nu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d sw i t h o u ts i m p l i f i c a t i o n ，t h i sp a p e r d e d u c e do r d i n a r ya n a l y s i sm e t h o do f d r y g a ss e a l b a s e do nt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，o nt h eb a s i so f i n v e s t i g a t i o n so fp l e n t yo fl i t e r a t u r e sa b o u td r yg a ss e a l ，t h ei m p o r t a n tt a s ko ft h i s p a p e ri s o nt h eb a s i so fc f da n df r o mt h ef u l lg o v e m i n ge q u a t i o n so ft h ef l u i d m e c h a n i s m ，f o u n d e do nt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) ，u s e dt h ef a m o u ss o f t w a r e g a m b i t ，e s t a b l i s h e st h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，m e s h e st h em o d e l 。s o l v e st h e i i i 西华大学硕士学位论文 d i f f i c u l t yo fm e s h i n gt h em o d e lb e c a u s eo fc o n j u g a t e dp r o b l e mb e t w e e nm i c r o s c a l e a n dm a c r o s c o p i c - s c a l e ，a n da l s ou s e ds o f t w a r ef l u e n t ，r e s e a r c h e sa n ds i m u l a t e st h e g a sf i e l do ft h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l ，c o m p a r e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e p o r t e di nd o c u m e n t ，o b t a i n sp r e s s u r ef i e l d so ft h eg a sf i l m , a n dc o r r e s p o n d i n g t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r r i e do nf o rs e a lp e r f o r m a n c e a f t e rs u f f i c i e n c ys t u d yo fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lf a c ef l u i df i e l d ，t h i sp a p e r s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h ep e r f o r m a n c e so fg a sf a c es e a l si n v o l v e di ns t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c e ，t h es e a lp e r f o r m a n c e ( m a i n l yl e a k a g ea n ds t i f f n e s so fg a sf i l m ) e f f e c t so f s e a lp a r a m e t e r s ，a n dt h eo p t i m i z e ds p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lf a c eg r o o v es h a p et o g a i nt h em i n i m u ml e a k a g ea n dt h em a x i m u ms t i f f n e s so fg a sf i l m , a n dm a k e sr e a d y f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hl a t e r i naw o r d ，b yd e e p l ys t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c e so ft h es p i r a lg r o o v eo fg a sf a c e s e a l s ，t h i sp a p e ro f f e r st h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n da p p l i c a t i o n a n dat h e o r e t i c a lb a s i si sm a d ef o rt h ef u r t h e rs t u d ys u c ha sd y n a m i cs t a b i l i t y , m e c h a n i c a la n dt h e r m a ld e f o r m a t i o n s k e yw o r d s ：s p i r a lg r o o v e ；d r yg a ss e a l ；c f d ：f l u e n t ；p r e s s u r ef i e l d i v 西华大学硕士学位论文 符号注释 ：闭合力，n ：开启力，n h ：平衡间隙，“m 1 1 0 ：密封坝区气膜厚度，p m h g ：槽深，l a m r g ：螺旋槽内径，m n l 0 ：转角，o a ：螺旋角，o n g ：槽数 r i ：密封端面内径，m r l l r o ：密封端面外径，i l i n b f ：密封面宽度，r n n l r ：螺旋线表达式，- - _ p 一啪口，m m 人：压缩数，人= 皇岩弓毒二 丫：槽长坝长比，y ：三二2 名一 6 7 肛：粘度，p a 8 n ：转速，r p m p i ：密封端面内径压力，m p a p o ：密封端面外径压力，m p a p = p o p i ：内、外径压力比 t ：介质温度，o c q ：泄漏量，m 3 1 1 k ：气膜刚度，n m k q ：刚漏比，n l 上m r b ：平衡半径，m i i l r 1 ，f 2 ：螺旋槽周期边界 p ：密度，k g m 3 b ：平衡系数6 = 二乓 r ；一r ； 万：槽台宽比，万：拿 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：李闼苛 z 宫年了月2l ，日 聊躲礞册男年岁月乡日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 螺旋槽干气密封的理论研究现状 1 1 1 模型的建立 早在1 9 2 5 年，l g u m b e r 就提出了螺旋槽轴承概念，随后，w h i p p l e 在压力线 性分布假设基础上，研究了等间距排列的平面平行槽与平板间的流体流动【1 1 。 1 9 6 6 年m u i j d e r m a n 在w h 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，其结果适应于可压缩性介质，提出了较完整的 螺旋槽轴承理论【2 】。 干气密封就是在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 经典。1 9 6 8 年，h s c h e n g 等学者对于介质为可压缩流体的端面密封的压力形成 和静态稳定性进行了讨论，阐述了端面间所存在的流体动压效应【3 1 。1 9 7 0 年， g a r d n e r 将螺旋槽近似解析理论直接用于密封研究，对于弯曲且开有螺旋槽端面 机械密封的性能进行了研烈4 】。1 9 7 2 年，s m a l l e y 对平面、球面和柱面槽型的气 体端面密封进行研究分析，用直角坐标系的窄槽理论和有限差分法来求解 r e y n o l d s 方程，得到承载力、功率消耗、泄漏量和刚度系数 5 】o1 9 7 2 年，s n e c k & m c g o v e m 采用一种基于窄密封面的槽线建_ 立_ r e y n o l d s 方程的解析方法，得到承载 力、功率消耗、泄露量和刚度系数等密封性能参数。但由于该方法的不严谨和 不方便，未能获得广泛应用【6 】。1 9 7 8 年，g a b r i e l 对螺旋槽非接触机械密封的基本 问题进行了较全面的论述，该文献作为重要著作于1 9 9 4 年重新发表。在此基础 _ 上s h a p i r o 和w a l o w i t 等在研究高速液氧透平泵的螺旋槽气体端面机械密封中考虑 了惯性力的影响r 7 1 。由于该方法的简洁实用而获得广泛的应用，一直沿用至今。 2 0 0 1 年，b r a d 等对螺旋槽气体端面密封进行了动态分析，并推导了适用的数学公 式 8 1 。 1 1 2 分析方法 目前干气密理论都是在前人的理论基础上发展起来的，尤其是螺旋槽密封近 似解析方法，基本上都源! 刍m u i j d e r m a n 螺旋槽轴承理论。由于控制方程直接求 解的困难，解析法不得不做必要的简化，随着计算机的发展，数值分析成为研 究开槽机械密封、轴承等性能强有力的手段。求解n s 方程的数值方法总体上分 西华大学硕士学位论文 为有限差分法、有限体积法和有限元法，这几种方法均被广泛采用，它可对密 封状态进行更为精确的描述。 其实早在19 6 7 年，j a m e s 等用有限差分法研究了气体润滑螺旋槽平面推力轴 承的性能【9 】。1 9 6 9 年，z u k 等用有限差分法求解了模拟螺旋槽机械密封的直线平 行槽模型的流场和压力场【1 0 1 。1 9 7 9 年，m u r a t a 等利用势流理论，建立了螺旋槽 轴承的二维模型，用数值分析方法计算了速度场和压力场，并与近似解析结果 作了比较【1 1 1 。 1 9 8 2 年，w a l o w i t 等用有限差分法计算了中间开有矩形浅槽的机械密封性能 【1 2 】。1 9 8 8 年，i k e u c h i 等用有限差分法计算了圆周组合的机械密封性甜1 3 】。1 9 9 1 年， l i p s c h i t z 等用有限差分法计算了径向直线槽双向螺旋气体推力轴承的性能 1 4 1 。 1 9 9 2 年，b a s u 分别采用有限差分法和有限元法计算了径向槽气体机械密封的性 斛1 5 j 。1 9 9 4 年，c l i e n i c k e 等提到了采用有限差分法求解开槽机械密封含湍流影响 因子的r e ) ，n o l d s 方程【l6 1 。1 9 9 5 年，k o w a l s k i 用有限差分法计算设计了能反转的螺 旋槽气体机械密封 1 。7 1 。2 0 0 0 年，z i r k e l b a c k 采用有限单元法求解螺旋槽气体端面 密封在等温状态下的非线性r e y n o l d s 方程，用一阶压力场求解开启力、泄漏量、 气膜刚度和阻尼系数，并对密封端面几何参数对密封性能的影响进行了研究， 包括槽数、螺旋槽角、槽宽堰宽比、槽长坝长比和槽深等，最后以最大端面比 压为目标对其参数进行优化，并给出优化结果 1 8 】。2 0 0 0 年，s h i f e n gw u 和r a yc l a r k 用计算流体动力学求解螺旋槽气体端面密封的完：全n a v i e r - s t o k e s 方程。他们使用 f l u e n t 4 5 商业软件，建立密封端面气体三维计算模型，得出密封端面气膜的压力 场和速度场，并证明螺旋槽开在动环或静环对密封端面的压力场和速度场没有 影响【1 9 1 。 国内对于密封理论的研究较晚。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 0 】。1 9 9 1 年，王建荣、顾永泉等用普通有限元法计算了圆弧槽气体密封的 特性【2 1 1 。1 9 9 4 年，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 2 2 】。1 9 9 5 年，彭建等也采用八节点有限单元法计算了平底、斜底螺旋槽和径向 槽三种气体密封的压力分布，并进行了部分参数优化 2 3 1 。1 9 9 6 年，胡丹梅等采 用八节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 4 】。1 9 9 9 2 西华大学硕士学位论文 年，宋鹏云用有限差分法对气体润滑和液体润滑非接触式机械密封进行了数值 计算，并对槽形、槽数、槽深等对密封端面流场的影响进行了分析【2 5 】 2 6 】。2 0 0 2 年，胡丹梅、赫木明等对螺旋槽上游泵送密封进行了有限元法计算，计算结果 表明，螺旋槽上游泵送机械密封端面液膜内的压力分布呈三维凸形曲面，该密 封具有明显的流体动压效应，低压侧的流体向上游泵送到槽底直径处压力增至 最大值【2 。7 1 。北京化工大学也进行了这方面的研究，主要集中在高参数的螺旋槽 形气体端面密封，建立了有限元分析模型，编制了有限元计算软件，并进行了 大量的试验，取得了一定的进展【2 8 】。 尽管前人在这方面己取得了很大成就，但仍有很多问题急需解决。在理论研 究方面，大多数工作是由简化了的润滑方程求解出稳态压力分布，再求出气膜 刚度、泄漏量，然后再根据刚度或泄漏量优化密封端面各结构参数。从而进行 设计。这种计算方法是忽略气膜厚度方向的尺寸，将问题简化为二维模型进行 分析研究，对三维模型还没有深入地研究。 1 2 本课题研究的目的和意义 目前，国内外石化行业普遍使用离心式压缩机来运输各类工艺气体，这些 气体大多具有易燃、易爆、有毒的特性，如瓦斯、氨气等【2 9 】。为了防止或限制 这些工艺气体沿压缩机旋转轴端部泄露到大气中，须采用各种有效的轴端密封 装置。压缩机轴端密封的可靠性对于实现生产装置的安全、稳定、长周期运行 以及经济效益最大化至关重要。离心压缩机常用的轴封方法有迷宫密封、机械 密封和浮环密封等。但迷宫密封因为泄漏只能用在压力不高的中性介质( 如空 气和氮气) 压缩机上。对于工艺气，例如石油气、氨气以及其它易燃和有毒气 体是不能用迷宫密封的，只能用机械密封和浮环密封。但这两种方法都必须配 备密封油站，而且也必然有少量的密封油泄漏到工艺气体中，由此带来很多弊 端。这就迫使人们探索一种可靠性高、经济效益好的离心压缩机轴封方法，经 过长期的研究，英国的约翰克兰公司推出了气体螺旋槽密封。由于干气密封属 于非接触式密封，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，干气密封的出现是密封技术的一次革命，气体密封的难 题从此解决，而再不会受到密封润滑油的限制。其所需的气体控制系统比接触 西华大学硕士学位论文 式密封的油系统要简单得多。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逸出，这就使得干气密封 在泵用轴封领域也将有广泛的应用前景，与普通接触式机械密封相比，干气密 封有主要以下优点： 1 省去了密封油系统以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生产停车； 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 大大减小了维修安装费用，经济实用性好； 6 密封驱动功率消耗小； 7 密封寿命长，运行稳定可靠： 虽然在整个压缩机系统中，轴端密封仅仅是一个很小的部分，但它往往能 决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性，其作用对整台机器、整套装置乃至 整个工厂的影响都很大。特别是在石油化工企业中，处理的大多是具有可燃性、 腐蚀性、易燃及有毒的介质，而且通常工作压力和温度较高，一旦密封失效， 介质泄漏不仅污染环境，影响人体健康和产品质量，而且可能还会导致火灾、 爆炸等重大事故。因此，研究一种稳定性更高的干气密封具有重大意义。 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，螺旋槽产生的流体动压效应最强，用其作为干气密封 动压槽而形成的气膜刚度最大，密封的稳定性最好。j o s e fs e d y 也证明了螺旋槽 是最适合于干气密封的槽形。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 气密封端面流场进行研究，分析槽形几何参数对密封性能的影响，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 3 本课题研究的主要内容 4 西华大学硕士学位论文 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，密封的稳定性最好。本论文只研究对数螺 旋槽槽形。 本论文是在前人的研究基础上，对螺旋槽气体端面密封的稳定性做了深入 的研究，并利用软件分析计算出密封端面间气膜压力场，并据此计算出相应的、 气膜刚度、泄漏量和刚漏比等性能参数，用于指导气体密封的设计和讨论密封 参数( 几何参数和操作参数) 对密封性能的影响，得到一些普遍的规律。主要 从以下几个方面的内容t 1 干气密封的基础知识和螺旋槽气体端面密封的有限元分析理论基础。 主要了解关于机械密封的基础知识、优缺点及干气密封的类型、螺旋槽干 气密封基本原理、运行状况以及主要参数等相关知识，从计算模型出发，结合 假设条件，推导出简化的稳态压力控制方程，并利用有限元方法对此方程进行 离散化，得到离散方程，研究离散方程的算法。 2 f l u e n t 数值模拟 从计算流体力学知识的角度出发，基于完整的三维n s 方程，确定高速运转 下的螺旋槽气体密封模型为三维物理模型，用p r o e 建立一个周期域内的三维几 何实体。把所建计算模型导入网格划分软件g a m b i t ，对网格进行结构化的网格 划分，在划分网格时候，解决了微尺度与宏观尺度混合，网格数目巨多的难点， 进而使用f l u e n t 求解器，采用二阶迎风离散格式，压力与速度的耦合采用 s i m p l e c 方法，湍流r n gk - 两方程模型，对所建立的网格求解，得出气膜压力 场。并将数值计算结果与文献实验结果做比较，由于计算值与实验值吻合得比 较好，证明了该计算方法的可行性。为进一步分析奠定了基础。 3 根据所得的气膜压力分布，分析了操作参数和端面槽形几何参数对密封 性能( 泄漏量、轴向刚度) 的影响，研究表明，端面槽形几何参数适宜的取值 范围为：1 2 0 o y 2 5 0 ，2 h 。9 ，2 5 h o 1 0 ，0 4 万0 7 ，0 4 y 0 5 5 ， 1 0 n ，1 8 。研究结果为螺旋槽干气密封的设计提供了有益的参考。 4 运用优化设计理论，以获得最大刚漏比为目标，建立了螺旋槽干气密 封端面槽形几何参数优化设计数学模型，采用复合形法对四川化工厂的焦化富 西华大学硕士学位论文 气压缩机上的2 8 a t 型干气密封的槽形几何参数进行了优化，得到了槽形几何参 数的最优组合。结果表明，优化后的干气密封轴向刚度显著提高，泄漏量也有 明显降低。 1 4 目前研究的重点及发展趋势 1 密封要实现零泄露、零逸出。 干气密封系统的衡量指标不仅仅表现在泄露量，而且更进一步对易挥发物 的逸出，提出了更高的要求。 2 进一步提高气膜刚度，使密封运行更稳定。 气膜刚度的大小直接影响着密封端面对外界扰动的影响，及相应的调节能 力。对密封系统工作的稳定性至关重要，并且气膜刚度提高的研究涉及因素较 多，如端面槽形、弹簧比压、工作环境等都会对其造成影响。 3 干气密封测试系统的研究 为了使密封更能适应复杂多变的工作环境，实时地对密封进行测量，并采 取相对的控制措施是进一步提高密封工作稳定性和使用寿命的必要手段。而在 测控系统的研究中，找到最能直接反映密封端面的接触情况的参量，并对其进 行有效控制尤其重要。 密封测试系统的研究和开发逐步成熟，在恶劣工况下，密封系统得到广泛 的应用。利用密封系统，对密封件工作环境的工况参数进行可控调节，大幅度 改善密封件工作条件，确保密封工作的稳定性和可靠性，减少密封故障和消耗， 延长寿命和主机维修周期【3 1 1 。 1 5 本章小结 干气密封是一种非接触式机械密封，特别适合于高参数( 高速、高温、高压) 设备的密封，是目前最先进的一种动密封形式。目前国内极少数企业能生产简 单的干气密封，绝大多数产品仍需从国外进口，从市场及经济效率来看，对干 气密封产品的研究和开发，显得很有必要。 干气密封是在气体润滑轴承研究的基础上，进一步扩展而逐渐形成的。本 文对干气密封模型建立、分析方法的发展历程进行了简单的总结，结果表明， 6 西华大学硕士学位论文 目前对干气密封的理论设计及计算基本上是成熟的，但仍然需作更深入的研究。 目前，干气密封研究的一个重点是如何进一步提高其密封性能，即具有较 小的泄漏量的同时达到最大的气膜刚度，这也是本文研究的主要内容。 西华大学硕士学位论文 2 螺旋槽干气密封气膜分析的基础理论 干气密封属于非接触式机械密封，是在传统的机械密封基础上发展起来的， 其基本构成与普通机械密封类似，因此，首先介绍一下机械密封机理。 2 1 机械密封基础知识 机械密封是一种用来解决旋转轴和机体之间密封的装置。它是由至少一对 垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力( 或磁力) 的作用及辅助密 封的配合下保持贴合并相对滑动而构成防止流体泄漏的装置，常用于泵、压缩 机、反应搅拌釜等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾 轴等密封。因此，机械密封是一种通用的轴封装置。 2 1 1 基本结构与作用 f i g 2 - 1t y p i c a lm e c h a n i c a ls e a ls c h e m a t i cd r a w i n g 图2 1 典型机械密封结构示意图 l 一补偿环2 一补偿环辅助密封圈3 一弹簧4 一紧固螺钉 5 一非补偿环6 一非补偿环辅助密封圈7 一防转销 8 西华大学硕士学位论文 机械密封的结构多种多样，最常用的结构如图2 1 所示：机械密封安装在旋 转轴上，简状密封腔内有：补偿环l 、补偿环辅助密封腔2 、弹簧3 、紧固螺钉 4 ，它们都随轴一起旋转，称为补偿环组件。机械密封的其他零件：非补偿环5 、 非补偿环辅助密封圈6 和防转销7 ，安装在与机体用双头螺栓连接得端盖内，旋 转轴贯穿其中，相互不接触，且相对静止，称为非补偿环组件。 当密封腔内充满了压力流体时，由图2 1 可见，压力流体有4 个泄漏点。泄 漏点1 是在补偿环与非补偿环接触的端面间，这个部位称为主密封。泄漏点2 、 3 分别处于补偿环与旋转轴之间、非补偿环与端盖之间，这个部位称为辅助密封。 工作时，辅助密封圈无明显相对运动，基本上属于静密封，并且泄漏点4 不属 于机械密封，它处于端盖与机体的连接处，常用o 型圈或垫片来密封。 机械密封安装后，依靠弹簧的弹力，以克服补偿环辅助密封圈与轴之间的 摩擦阻力，使补偿环端面紧紧地贴住非补偿环的端面，此时，有初始闭合力存 在。当主机开始工作时，密封腔充满了压力流体，而产生更强有力的轴向推力， 使密封端面贴合更紧密，由于端面的平面度高和粗糙度小，在压力流体的作用 下，相对滑动的端面间便出现了边界摩擦或半液体摩擦状态，足以防止压力流 体的明显泄漏，实现了主密封。 2 1 2 机械密封基本元件的作用和要求 1 补偿环与非补偿环( 动、静环) 补偿环是具有轴向补偿能力的密封环，它可以是旋转环( 也称动环) ，也可 以是非旋转环。非补偿环是不具有轴向补偿能力的密封环，同样可以是旋转环， 也可以是非旋转环( 也称静环) 。两者的端面贴合在一起构成密封端面。它是机 械密封的主要构件，起主密封作用，近来在不少情况下，补偿环用软质材料制 造，端面较窄；非补偿环用硬质材料制造，端面较宽。 2 弹性元件( 弹簧、波纹管、隔膜、波形弹簧) 它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助 密封和传动元件的摩擦和动环等的惯性，保证端面密封副良好的贴合和动环的 追随性，材料要求耐腐蚀、耐疲劳等。 3 辅助密封( o 形环、v 形环、u 形环、楔形环和异形环) 9 西华大学硕士学位论文 它主要起静环与压盖和动环与轴( 套) 之间的密封作用，同时也起到浮动和 缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性和静环有一定 的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动 性。材料要求耐热、耐寒并能与介质相容。 4 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键、传动突耳或牙嵌式联结器) 它起到将轴的转矩传给动环的作用。材料要求耐磨和耐腐蚀。 5 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套) 它起到静、动环的定位、紧固和承装的作用。要求轴向定位正确，保证有 一定弹簧压缩量，使密封副的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合。同时 要求拆装方便、容易就位、能重复利用。与辅助密封配合处，安装密封环要有 导向倒角，应特别注意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐磨损和耐腐蚀，必 要时轴套配合处可采用硬面覆层。 6 防转件( 防转销) 它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够的长度，防止静环在负压 下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材料上要求耐腐蚀，在必要 时中间可加四氟乙烯套，以免损坏碳石墨静环。 2 1 3 机械密封的优、缺点 其优点为： 1 密封性好机械密封泄漏量通常可控制在3 - 5 m l h ，甚至可达0 o l m l h ； 与填料、迷宫、浮环、螺旋等密封相比，泄漏量小得多。 2 使用寿命长与填料、橡胶油封相比，机械密封的使用寿命要长的多。 3 无需经常调整由于机械密封具有补偿机构，正确安装后，不需像填料 密封经常调整。 4 功率损耗小由于机械密封端面接触面积小，摩擦功率损耗小，仅为软 填料密封的2 0 3 0 。 5 轴( 轴套) 表面不易磨损由于机械密封与轴( 轴套) 的接触部位几乎没有 相对运动，因此对轴( 轴套) 的摩擦损伤也较小。 6 抗震性强、缓冲性好随着波纹管式和全补热式机械密封的出现和发展， 1 0 西华大学硕士学位论文 使得机械密封就有了很好的抗震性，从而保证了它在恶劣工况下使用的可靠性。 7 性能参数高，使用范围广如果选择了合适的结构型式和相匹配的摩擦 副材料，而且完善密封系统，就能使机械密封在各种工况下，如高温、低速、 高压、真空、强腐蚀、无宏观泄漏等方面得到广泛的应用。 机械密封也存在一些缺点，主要是： 1 结构复杂不同工况要使用不同的结构形式，品种多，且要用特殊的材 料制成。 2 装配稍难，更换不便，特别是运转不正常时，采取应急措施比较困难。 3 价格较贵机械密封的初装价格往往是填料、油封等密封价格的数倍、 甚至数十倍，但以总体经济效益并非如此。 机械密封虽然存在上述一些缺点，但由于其优点显著，能适应现代工业生 产的需要，所以发展较快。 2 2 螺旋槽干气密封概念及基本原理 干气密封是在传统的机械密封基础上发展起来的，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一定形式的浅槽，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， 所以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很小( 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【3 5 1 【3 6 1 。 2 2 1 干气密封的槽形结构 用于离心压缩机的干气密封，其结构和普通泵用机械密封基本相同，也有 静环、动环、弹簧以及辅助密封圈和轴套组成。区别在于干气密封是在动环( 硬 环) 面上刻有特殊作用的浅槽，旋转起来密封端面上产生流体动压，所以也称 为动压槽。常见的几种浅槽形式如图2 2 所示。主要有螺旋槽型、圆弧槽型、t 形槽型和直线槽型等，在获得收敛型间隙的密封方法中，与其它槽型相比较， 西华大学硕士学位论文 螺旋槽密封具有更稳定的压力分布，是一种更灵活，更成熟的理论槽形。 ( a ) ( b ) ( d ) c a ) 螺旋槽( b ) 直线槽 ( c ) 圆弧槽( 由t 型槽 f i g 2 - 2s o m eo r d i n a r ys u l c i f o r mo fd r yg a ss e a l 图2 - 2 常见的几种干气密封的槽形 2 2 2 螺旋槽干气密封的工作原理 螺旋槽干气密封的工作原理【3 7 】，实际上是一种润滑气膜流体的动、静环结合 型非接触式机械密封与气体阻塞密封的有机结合。图2 3 a 所示为旋转环表面精 加工出螺旋槽后经过研磨、抛光处理的密封面。螺旋槽深2 5 1 0 9 m 。螺旋槽的 型线有对数螺旋线和阿基米德线两种，前者为内外圆等槽角螺旋线；后者为边 槽角螺旋线，干气密封的螺旋线通常采用对数螺旋线，其表达式为：r = r g e 侥a n a 其 中k 为起始半径，0 为转角，a 为螺旋角，即流槽切线与圆周切线的夹角。 1 2 西华大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) f i g 2 3s p i r a lg r o o v eo ns u r f a c eo fd r y g a ss e a l 图2 3 螺旋槽干气密封端面 吸向中 f i g 2 - 4p r i n c i p l eo fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l 图2 - 4 螺旋槽干气密封工作原理 干气密封的工作原理实际上是利用流体动压力与流体静压力和弹簧元件弹 力的合力与闭合力的平衡，在动静环摩擦副之间形成一定厚度的气膜，从而达 到密封的目的。静止状态下，在工作压力下的静环受介质压力和弹性元件的弹 力，此二力的作用方向是将静环紧贴在动环上，称为密封端面间的闭合力。 该力与动环是否转动无关，属流体静压力。当动环旋转时，气体介质经螺旋槽 泵吸作用，进入收敛形螺旋槽，气体介质被引向中心( 图2 - 4 ) ，在被压缩的同 时因密封堰的阻碍，气体压力逐渐增大而试图推开挠性定位的静环，该压力是 动环旋转产生的称为流体动压。它作用在动静环之间，力图把两者分开，称此 力为开启力( 图2 5 ) ，在某一转速下开启力和闭合力相等即f o = f 屺。动静环之间 保持某一间隙，两者处于平衡状态，并保持足够的气膜刚性，实现非接触式密 封。此膜厚h 。典型值为3 1 t m 。这样，气体压力和弹簧力与开启力刚好配合好， 使气膜具有良好的弹性即气膜刚度高，形成稳定的运转并防止密封面相互接触。 西华大学硕士学位论文 在正常运转条件下该密封的闭合力等于开启力，这是理想的设计工况，若受到 外来干扰，间隙减小，则气体剪切率增大，螺旋槽开启问隙的效能增加，开启 力大于闭合力，恢复到原间隙；若受到外扰间隙增大，则缝隙内膜压下降，开 启力小于闭合力，密封面合拢恢复到原间隙，只要在设计考虑的范围内，外扰 消失后马上即可恢复到原来的位置。这种阻止气膜间隙改变的自我恢复能力叫 气膜刚度，因此，螺旋槽面密封对压力波动和外来机械干扰是很敏感的。只要 密封设计能产生很大的气膜刚度和很小的平衡间隙的最佳工况，螺旋槽面密封 的运转时间间隙变化就不会很显著，因此，衡量干气密封稳定性的指标就是密 封产生气膜刚度的大小，气膜刚度越大，表明密封的抗波动能力越强，密封运 行就越稳定。 闭合力ef o = f 。 ， l ，h j , l o 斗 n 1 r _ j = = _ ： l 二 cy 、r 闭合力= 弹簧力+ 介质力 正常工作间隙 气膜反力分布 f i g 2 - 5d r yg a ss e a lf a c ef o r c ee q u i l i b r i u m 图2 5 干气密封受力平衡图 体压缩 体膨胀 2 2 3 干气密封的优点 与普通接触式机械密封相比，干气密封主要有以下优点： 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生产停车。 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。 1 4 西华大学硕士学位论文 5 大大减小了维修安装费用，经济实用性好。 6 密封驱动功率消耗小。 7 密封寿命长，运行稳定可靠。 基于这些原因，干气密封将是今后气体密封的发展方向。但也有着其自身 的缺点： 1 不能反压干气密封是利用下游泵送原理，在转动时将上游( 高压侧) 密封气体泵送到端面间的螺旋槽内，在坝的阻挡作用下形成气膜，打开密封端 面。如果上游压力低于下游，则气体不能进入螺旋槽内，形不成气膜，端面打 不开，密封很快就会损坏。 2 密封气不能带颗粒密封端面打开间隙很小，一般为3 “左右，颗粒进入 后会在密封端面上划痕，使泄漏量增加，同时，长期使用不洁密封气，微小的 颗粒会填平螺旋槽，影响气膜形成，最终使端面损坏。 3 密封气不能带液液体进入密封端面，由于液体粘度远大于气体，端面 对液体的搅拌与切割将产生大量热量，使密封因温度急剧升高而损坏。此外， 即使是微小的液滴进入端面，也会使密封不能长期稳定运行，因为微小的液滴 在端面间会因温度升高而发生爆破现象，使端面间隙瞬时增大，泄漏量出现波 一 动。 4 不能反转对于单向设计的密封，严禁反转，因为反转时端面不但打不 开，反而会越转越紧，密封会由于干摩擦温度升高而损坏。当然，对于设计为 双向旋转的密封可以克服反向旋转带来的危害，但在同等条件下，双向旋转的 端面产生的气膜刚度较小，抗干扰能力稍差。 2 2 4 密封面结构几何参数 密封面的结构几何参数主要包括密封面中各类直径( 如内半径r i 、外半径r o 和 平衡直径r b ) 、密封面宽度b f 、平衡系数b 和螺旋槽的形状几何参数。槽形几何参 数包括螺旋角旺、槽深h g 、槽台宽比6 、槽长坝长比丫和槽数n g 。 1 内径r i 由于静环与轴相对转动，所以静环内径与轴套直径之间需留有一定间隙， 一般取1 - 3 m m 。 西华大学硕士学位论文 = ，+ ( 1 3 ) r a m ( 2 1 ) 2 密封面宽度b f 与普通机械密封中的密封面宽度相比，螺旋槽干气密封需要有较宽的密封 面。其取值为普通机械密封中所需b f 的3 5 - - ，4 5 倍 6 钔。在高压工