干氣密封設計的探討
引言
隨著機械密封環境的變化,氣體潤滑軸承應運而生。在20世紀60年代,美國John Crane公司率先開發研制了螺旋槽非接觸無泄漏機械密封, 70年代研制并應用螺旋槽非接觸式氣體端面的密封。直到80年代采用在動環的端面使用螺旋槽型的結構,干氣體密封技術真正應用到工業生產中。傳統機械密封設計沿循“兩個端面的接觸—運動摩擦—產生摩擦熱—導出熱量”的工作方式進行。
干氣密封設計從非接觸考慮,在動環或靜環的端面上加工出均勻分布的淺槽,其深度為3～10μm,旋轉時氣體在流體動壓和氣體分子的作用下由外緣向中心流動時,體積就會逐漸縮小,進入溝槽后即被引向中心并形成錐體氣流,產生局部高壓區,將動靜密封環打開形成約2～3μm的氣膜,兩個配對的動靜環端面由原來的緊密接觸狀態變為非接觸狀態。
工作原理如圖1所示。干氣密封相對于傳統機械密封不再需要復雜而龐大的潤滑油系統,由幾何形槽相對運動造成的剪切流動而實現機械密封的非接觸和負泄漏。由于這種旋轉軸用動密封系統性能可靠,使用壽命長,功耗低,維護成本不高,能適應高溫、高壓、高速以及各種強腐蝕性介質等苛刻工況,因而廣泛應用于石油、化工、冶金、航空航天、國防軍工、核能發電等領域。
圖1 干氣密封工作原理圖
1、干氣密封的設計基準
(1)密封端面要保持非接觸狀態。
(2)選定適用于高速回轉和干摩擦的材質。
(3)動平衡應保持不變。
(4)選用適用于氣體條件的密封系統、輔助裝置。
2、影響干氣密封性能的主要參數
2.1、密封結構參數
2.1.1、干氣密封動壓槽形狀
從流體動力學角度來講,在干氣密封端面開任何形狀的溝槽,都能產生動壓效應。端面溝槽形狀技術已成為干氣密封的核心技術。目前,國際上如John Crane、Burgman、Flowserve 等著名的公司都有自己的專利形槽技術,而且端面形槽已成為公司產品標志的重要特征,如圖2所示。
圖2 各密封公司槽形圖示意圖
(a)(b) John Crane單向螺旋槽、雙向樅樹形槽(c) Flowserve雙向T形槽(d)鼎名單向槽(e) (f) Burgman單向V形槽、雙向U形槽(g)鼎名雙向槽
2.1.2、干氣密封動壓槽深度
干氣密封為保持非接觸狀態,在設計中特別重要的一個數據是氣膜剛度,也就是浮力(即復原力)變化量和間隙變化量的比值,氣膜剛度越大, 干氣密封抗干擾能力越強,密封運行越穩定可靠,干氣密封的設計就是以獲得最大的氣膜剛度為目的而進行的。從理論上講,氣膜剛度越大,間隙越不易發生變化,密封性能越會穩定。氣體動力學研究表明,當干氣密封兩端面間的間隙在2～3μm時,通過間隙的氣體流動層最為穩定。在此厚度的氣膜下, 由氣作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質作用形成的閉合力達到平衡,于是密封實現非接觸運轉。理論研究表明,干氣密封流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時,密封的氣膜剛度最大。在實際應用中,干氣密封的動壓槽深度一般設計在3～10μm,在其余參數確定的情況下,動壓槽深度有一最佳值。
2.1.3、干氣密封動壓槽數量、動壓槽寬度、動壓槽長度
要產生較大的浮力,溝槽部位的面積就必須要達到一定的要求,和相同尺寸的接觸式機械密封相比,干氣密封密封端面的面積更大。產生浮力的氣體應具有黏性,在設計時,應將黏性系數作為一個參數,以流體力學方程式為基礎,按照設計要求,通過計算來設計密封端面溝槽的數量、寬度及長度等,以確保能夠產生足夠的浮力。理論研究表明,干氣密封動壓槽數量趨于無限時,動壓效應最強。不過,當動壓槽達到一定數量后,再增加槽數時,對干氣密封性能影響已經很小。
2.2、密封其它參數
2.2.1、密封環轉速對密封性能的影響
轉速越高,密封環線速度越大,不同的部件在高速回轉中,因離心力以及發熱等因素造成的膨脹不同。在回轉中,空軸套的內徑比實心軸的外徑膨脹得更大,壓力以及離心力引起的變形可以通過調節端面形狀來控制;密封端面溫度比其他部位高,熱膨脹會導致密封環變形。因此在決定各部件的尺寸時,應該將壓力、離心力、摩擦發熱等因素綜合起來進行計算,以確保密封端面間隙保持平行。
2.2.2、密封氣壓力對泄漏量的影響
干氣密封在靜止狀態下只要施加壓力,密封端面處就會發生泄漏。因此,可燃性、腐蝕性、有毒的氣體存在時,大多采用串聯式密封或雙端面式密封。
2.2.3、密封氣污染對密封的影響
由于干氣密封只控制數微米的間隙,如果密封氣不夠潔凈、干燥,將會嚴重影響密封效果。因此干氣密封制造廠家對密封氣的質量都有相當嚴格的要求,一般都要求密封氣干燥, 并不含大于3μm的粉體、固體以及液體、煙霧等。因此如果被密封的氣體被污染,就必須將污染氣體抽出經過濾器過濾后再送往密封,或從外部通過過濾器供給干凈的氣體。由于離心力的作用,大氣中的粉塵以及軸承漏出的油都會侵入到密封端面內,因此應在大氣側設置輔助密封或使用凈化氣體。
2.2.4、溫度對密封的影響
干氣密封雖不如接觸式機械密封,但在高速、高壓條件下各部件也會發熱導致溫度上升。因此在密封處冷卻的基礎上,常常進行凈化氣體的冷卻以達到很好的密封效果。
2.2.5、密封材質對密封的影響
干氣密封回轉部件在高速回轉時,為了確保一定的密封端面面積,外徑一般比較大。因此在選擇耐磨材質時,既要考慮到高強度,還要考慮到不易變形,往往選用楊氏彈性率高、熱膨脹系數低、熱傳導率高、質量輕的材料。
另外,干氣密封雖是非接觸式密封,但在啟動和停止的過渡狀態,密封端面并不是完全張開的,氣膜剛度較小,會發生瞬間的接觸,如果由接觸摩擦引起的發熱過大,熱變形會使密封端面很難保持平行,導致進一步的接觸和損傷。因此干摩擦狀態下的耐磨損性及低摩擦系數在選用材質時要充分考慮到。目前,干氣密封硬質材質大多選用硬質合金碳化鎢、碳化硅,以及新開發的延性金屬材料。
3、干氣密封設計的現狀及面臨的問題
(1)密封端面摩擦是決定密封性能的重要因素,也是長期以來研究的熱點。
(2)目前,偏心、密封面傾斜和密封面變形對密封性能影響的研究主要以試驗為主,尚未建立數學模型。
(3)目前已在端面微觀形貌(粗糙度、波度、變形等) 、相變、空化等方面開展了很多研究,但是很少從流體力學角度入手�？紤]耦合傳熱、變形等因素,對氣體膜內流動進行分析,建立比較實用的干氣密封設計模型,提出相關的理論和相應的改型措施還需深入研究。
(4)密封廠家不僅需要對密封環、輔助用密封圈等密封要素進行改善,還需要對更有效的冷卻方式進行更新。
(5)耐高溫蒸汽密封材料以及輔助用密封圈的開發還需進行長期深入的研究。
