高速透平離心壓縮機(jī)干氣密封設(shè)計(jì)技術(shù)

徐相鋒等

【摘 要】在簡要論述干氣密封的工作原理、典型結(jié)構(gòu)、超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的干氣密封特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了超高速透平離心壓縮機(jī)干氣密封設(shè)計(jì)技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)、材料選用、旋轉(zhuǎn)件的強(qiáng)度計(jì)算、降低運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)采取的措施，有關(guān)試驗(yàn)技術(shù)，實(shí)際運(yùn)行情況。

【關(guān)鍵詞】透平離心壓縮機(jī)；干氣密封；振動(dòng)；螺旋槽

1.干氣密封工作原理

1.1簡介

干氣密封是美國John Crane 公司上世紀(jì)六十年代開始研究的氣膜潤滑端面密封，八十年代達(dá)到實(shí)用化。干氣密封是一種“以氣封氣”、流體動(dòng)靜壓結(jié)合的非接觸式機(jī)械密封，是目前世界上最先進(jìn)的一代高速透平離心壓縮機(jī)軸端密封。其主要應(yīng)用于天然氣管線、煉油、石油化工、化工等行業(yè)的透平壓縮機(jī)，用于密封各種危險(xiǎn)性工藝流程氣體、以便維持主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低物料和能源的消耗、防止環(huán)境污染，保證人身及設(shè)備安全。干氣密封有以下特點(diǎn)：可靠性高，使用壽命長，密封氣泄漏量小，功耗極低，工藝回路無油污染，工藝氣亦不污染潤滑油系統(tǒng)，取消了龐大的密封油供給及測控系統(tǒng)，占地面積小，重量輕，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，減少了計(jì)劃外維修費(fèi)用和生產(chǎn)停車。

1.2工作原理

干氣密封要取得優(yōu)化的性能需要保持間隙穩(wěn)定，同時(shí)為減小泄漏希望間隙很小，但是又能夠使密封面不會(huì)發(fā)生接觸，即使是在因各種原因發(fā)生軸向移動(dòng)時(shí)也要能夠保持這個(gè)間隙。干氣密封是通過開啟力和閉合力之間的動(dòng)力平衡來實(shí)現(xiàn)這一功能的。

在動(dòng)力平衡條件下，作用在密封上的力如圖1所示。

閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端面間的壓力分布對(duì)端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo，運(yùn)行間隙大約為3微米。

如果由于某種干擾使密封間隙減小，則端面間的壓力就會(huì)升高，這時(shí)，開啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動(dòng)加大，直至平衡為止。類似的，如果擾動(dòng)使密封間隙增大，端面間的壓力就會(huì)降低，閉合力Fc大于開啟力Fo，端面間隙自動(dòng)減小，密封會(huì)很快達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

這種機(jī)制將在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性相當(dāng)高的氣體薄膜，使得在一般的動(dòng)力運(yùn)行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長了使用壽命。

2.超高速干氣密封設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

以某廠天然氣壓縮機(jī)為例。干氣密封結(jié)構(gòu)圖見2。該壓縮機(jī)工作參數(shù)如下：

入口壓力（MPaG）1.50，溫度40°C

出口壓力（MPaG）2.85，溫度150°C

工作轉(zhuǎn)速：14080rpm（動(dòng)環(huán)工作線速度=121m/s）

密封設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速：16192rpm（動(dòng)環(huán)最大線速度=139m/s），密封為超高速干氣密封。

密封設(shè)計(jì)壓力：2.2MPaG。

2.1降低密封副的工作溫度

①降低密封副的發(fā)熱量：

密封副熱量主要來源于密封高速運(yùn)行的摩擦熱，它與摩擦副寬度有關(guān)。在保證密封副端面承載能力的前提下，密封副寬度應(yīng)盡量減小。密封設(shè)計(jì)壓力2.2MPaG為中壓范圍，載荷不大，密封副寬度可選至允許的最低值。一般寬度范圍在B=18～20mm，此處選B=18mm。

②對(duì)密封進(jìn)行冷卻：

密封裝在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子兩端，壓縮機(jī)工作溫度約60°C～70°C，使干氣密封工作溫度較高，不利于密封自身散熱，只能采取外部手段進(jìn)行冷卻。

本臺(tái)天然氣壓縮機(jī)干氣密封的主密封氣采用氮?dú)?，氣源溫度約20℃。氮?dú)饨?jīng)密封端面泄漏后會(huì)帶走部分熱量，但干氣密封泄漏量較小，約在3Nm3/h左右。主密封氮?dú)馕盏臒崃坑邢?，還需通過前置緩沖氣對(duì)密封進(jìn)行冷卻，也隔斷機(jī)內(nèi)高溫氣體的熱量向密封擴(kuò)散。用戶要求前置緩沖氣采用壓縮機(jī)出口氣，其溫度為150℃，需要預(yù)先強(qiáng)制水冷，具體實(shí)施由用戶負(fù)責(zé)。通常前置緩沖氣供氣量10Nm3/h，為便于密封散熱，應(yīng)將供氣量提高至15Nm3/h。

2.2動(dòng)環(huán)箍的設(shè)計(jì)

動(dòng)環(huán)箍熱裝時(shí)注意：

A.鈦金屬是化學(xué)活潑性高的金屬，在高溫中能與多種化學(xué)元素反應(yīng)，加熱過程容易氧化和吸氣產(chǎn)生氫脆，故加熱溫度不宜太高。如果在真空爐中加熱，可通入氬氣保護(hù)。

B.鈦金屬對(duì)缺口敏感性大，要求加工表面質(zhì)量高。

2.3降低密封旋轉(zhuǎn)件振動(dòng)措施：

如上面所述，旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)密封是很不利的，所以必須嚴(yán)格控制旋轉(zhuǎn)件振動(dòng)。動(dòng)不平衡是旋轉(zhuǎn)件振動(dòng)的根本原因，必須保證旋轉(zhuǎn)件做動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)的精度。動(dòng)平衡應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)許用不平衡的確定》（GB9239-88）的G2.5級(jí)要求。做動(dòng)平衡的順序如下：首先將試驗(yàn)工裝做平衡；然后將密封旋轉(zhuǎn)件裝在試驗(yàn)工裝上做平衡。為避免旋轉(zhuǎn)件孔與試驗(yàn)工裝外圓裝配時(shí)產(chǎn)（下轉(zhuǎn)第232頁）（上接第201頁）生偏心誤差，必須解決好兩個(gè)問題：

①旋轉(zhuǎn)件內(nèi)孔——試驗(yàn)工裝外徑之間的配合一般是F7/h6：Φ100 F7（）/Φ100h6（），最小間隙0.036mm，最大間隙0.093mm。為了減少裝配偏心誤差，將配合改為非標(biāo)準(zhǔn)公差帶：Φ100（）/Φ100（），單件生產(chǎn)對(duì)工藝成本影響很小，最小間隙0.03mm，最大間隙降為0.06mm。

②旋轉(zhuǎn)件與試驗(yàn)工裝間仍有0.03～0.06mm的間隙，平均間隙0.045 mm，還是有較大的間隙。為此，在設(shè)計(jì)上要提高孔軸之間定位之件——聚四氟乙烯定位環(huán)的剛度。一般情況下，定位環(huán)截面結(jié)構(gòu)為橋式空心結(jié)構(gòu)，過盈量0.01～0.02mm?，F(xiàn)將截面結(jié)構(gòu)改為實(shí)心結(jié)構(gòu)，過盈量改為0.02～0.03mm。

2.4試驗(yàn)技術(shù)

為保證密封在試驗(yàn)機(jī)上正常運(yùn)轉(zhuǎn)、降低振動(dòng)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)時(shí)盡量提高結(jié)構(gòu)剛度、聯(lián)接剛度，使結(jié)構(gòu)能夠減振、避振，阻斷振動(dòng)傳遞。

超高速試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)與工裝散熱面積小，工作溫度很高，會(huì)達(dá)到150℃；而密封在壓縮機(jī)上實(shí)際運(yùn)行時(shí)散熱面積大，工作溫度不會(huì)很高。

為保證正常試驗(yàn)，必須對(duì)試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)工裝外表面強(qiáng)制風(fēng)冷。

另外，超高速干氣密封的設(shè)計(jì)還應(yīng)在密封端面的螺旋槽技術(shù)方面做特殊處理，本文在此不做討論。

3.現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果

該壓縮機(jī)干氣密封安裝后運(yùn)行狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)速14080rpm；主密封泄露量為1.4Nm3/h；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子原來振動(dòng)值50μm，現(xiàn)在振動(dòng)值為15μm。一切運(yùn)行指標(biāo)合格，達(dá)到預(yù)期性能。

4.結(jié)論

實(shí)踐證明，本文提出的超高速干氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡便可行，計(jì)算方法簡潔容易，具有一定的通用性。解決了超高速干氣密封的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為超高速透平離心壓縮機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]顧永泉著.流體動(dòng)密封.中國石化出版社，1992.

[2]胡國楨著.化工密封技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，1978.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社，1982.