干气密封原理.doc

干气密封原理2008-04-24 13:14 干气密封在气体动压轴承的基础上发展而来的。干气密封于1979年由JONH CRANE公司研制成功，JOHN CRANE借此成为干气密封技术之执牛耳者。时至今日，干气密封技术在离心式压缩机等高速流体机械上已获得了广泛应用，在泵和反应釜等低转速设备应用已经必然成为趋势。JOHN CRANE公司研制了泵用2800 和2800E 系列干运转气体润滑机械密封，占领了泵用密封的高端市场。 干气密封在结构上与普通机械密封相比，干气密封的旋转环与静止环密封端面较宽；在旋转环或静止环端面上加工出特殊形状的流体动压槽，如螺旋槽、圆弧槽、T形槽等，槽深一般在10-9m数量级。具有动压槽的环通常采用SiC为材料，不具动压槽的环采用C石墨作为材料。（图1-1、1-2） 以螺旋槽干气密封说明干气密封的运行原理。当旋转环高速旋转时，旋转环或静止环端面上的螺旋槽将外径处的高压气体向下泵入密封端面间，气体由外径向中心流动，而密封坝节制气体流向中心，于是气体被压缩引起压力升高，在槽根处形成高压区。端面气膜压力形成开启力，在密封稳定运转时，开启力与由作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡，密封保持非接触、无磨损运转。（图1-2、1-3） 如果出现某些扰动因素使密封间隙减小，此时由螺旋槽产生的气膜压力将增大，引起开启力增大，而闭合力不变，密封间隙将增大，直到恢复平衡为止；反之，如果出现某些扰动因素使密封间隙增大，此时由螺旋槽产生的气膜压力将减小，引起开启力减小，而闭合力不变，密封间隙将减小，密封将很快再次恢复平衡。干气密封的这种抵抗气膜间隙变化的能力称之为气膜刚度。（图1-4、1-5） 由于其优越的摩擦润滑性能，更长的工作周期和更短的MTBM，以及更高的可靠性和稳定性，干气密封作为一种性价比高的密封产品，可以预期在将来会得到更加广泛的应用。 干气密封的设计涉及诸多学科的内容。其中摩擦与润滑、流体力学、热力学、空气动力学、工程材料学、机械振动、控制理论是干气密封设计的需要涉及的核心内容。干气密封的几何参数（尺寸和槽型）和工况条件（密封压力、转速、气体温度和黏度）对其性能参数具有重要影响。（图2-1） 干气密封的性能参数涉及密封面压力分布、开启力、泄漏量、刚度、开启力/泄漏量比值、刚度/泄漏量比值等参数。对于这些参数的分析，可以通过求解气体润滑Reynolds方程获得，这是干气密封计算分析的基本方程。根据分析问题的不同，考虑气体滑移流动和端面的表面粗糙度，Reynolds方程可以得到不同的具体表达形式。（2-2） 图2和4是JONH CRANE 2800E干气密封的结构示意图。 以此型号的干气密封为例，采用ANTISSA STUDIO设计的计算软件DGSTA获得其压力分布状况。以飨读者。（图3） 图5是对图1干气密封原理的进一步生动的阐释。所有的3D图形都是由STUDIO ANTISSA的干气密封分析设计软件DGSTA分析和绘制。干气密封在稳定运行时端面压力分布如图5-1。 如果存在振动窜动等不稳定工况因素的干扰，密封端面彼此靠近，此时的压力分布如图5-2，可以看到则此时端面的压力升高，端面开启力弹簧和介质压力，端面在开启力作用下返回平衡位置。 如果密封端面彼此远离，此时的压力分布如图5-3，可以看到则此时端面的压力明显降低，端面开启力弹簧和介质压力。端面在弹簧和介质压力作用下返回平衡位置。 普通的机械密封设计和分析方法，无法对干气密封的端面压力分布进行分析。对干气密封详尽的研究需要涉及到庞大的摩擦润滑理论等多学科交叉融合的理论，以及比较复杂的数值离散和数值计算方法。国内只有极少的的密封生产厂家具有相关的技术，而且技术水平相对欧美比较落后。干气密封技术被JOHN CRANE、FLOW SERVE BURGMAN 等少数几家国外公司垄断。如何打破这种技术垄断是值得我们国内密封生产设计厂家的管理者思考的。 STUDIO ANTISSA致力于非接触式机械密封（干气密封是它的一种）的理论研究、数值分析和产品设计，致力于为成为中国流体动密封产业技术支持专家。欢迎