加氫循環(huán)壓縮機(jī)干氣密封的工作原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋道明

摘要：干氣密封具有密封性好、摩擦熱小、磨損慢、壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常重要的非密封形式。本文介紹了干氣密封的基本原理和一般結(jié)構(gòu)，利用程序?qū)β菪鄹蓺饷芊舛嗣娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并以加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)為使用對(duì)象，針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作條件，對(duì)干氣密封的承載力、泄漏量、膜厚、載荷系數(shù)、彈簧力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和說明。

關(guān)鍵詞：干氣密封;加氫循環(huán)氫壓縮機(jī);螺旋槽;端面結(jié)構(gòu)

一、干氣密封工作原理

干氣密封的功能原理是在密封面上開一定形狀的淺槽， 當(dāng)兩個(gè)密封端面相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，由淺槽產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，在摩擦副之間形成很薄的氣膜層，使得密封件以非接觸狀態(tài)工作。 由于密封表面不接觸，因此密封產(chǎn)生的摩擦熱很小，確保兩個(gè)密封表面的氣體潤(rùn)滑，并且密封壽命長(zhǎng)。因?yàn)槊芊獗砻娴臍庀逗苄。ㄍǔ閹孜⒚祝?，因此產(chǎn)生的氣體泄漏較小。密封端面處的氣體通常是緩沖氣體，產(chǎn)生的流體動(dòng)壓阻礙了介質(zhì)氣體的泄漏，從而實(shí)現(xiàn)了氣體密封的目的。

圖1所示為典型的干氣密封結(jié)構(gòu)，主要由彈簧座、彈簧、靜環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)、密封圈以及軸套等組成。

二、干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封的影響

2.1槽深的影響

槽深對(duì)干氣密封的性能影響較大，在這里假設(shè)槽密封表面的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，使槽的深度不斷改變，觀察密封性能的變化。通過大量的數(shù)值計(jì)算，得到了槽深和密封性能的關(guān)系曲線。圖2表示了螺旋槽密封槽的深度對(duì)密封的氣膜剛度、承載能力、泄漏量和泄漏比的影響。如圖所示，當(dāng)螺旋槽密封的槽深約為設(shè)計(jì)膜厚的3.5倍時(shí)，氣膜剛度，泄漏比和承載能力最大。因此，在密封加工過程中，需要精確控制槽深[1]。

2.2 螺旋槽角的影響

螺旋角對(duì)密封的性能影響也很大，圖3的三組曲線表示了螺旋角對(duì)密封的承載能力、剛漏比、泄漏量以及氣膜剛度的影響。從圖中可以看出，當(dāng)螺旋角的值是20o時(shí)，密封的剛漏比、承載能力和氣膜剛度達(dá)到最大值 [2]。

2.3螺旋槽槽寬的影響

圖4說明了螺旋槽的槽寬壩寬比與對(duì)密封性能的關(guān)系。該圖表明，當(dāng)槽寬比約為0.6時(shí)，氣剛度、承載能力和泄漏比達(dá)到最大。密封的性能在溝槽寬度壩寬度比在0.4至1的范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生太大變化。

三. 干氣密封參數(shù)

3.1彈簧力計(jì)算

作用在靜環(huán)上的彈簧起到將動(dòng)靜環(huán)壓緊的作用，其值不能太大或太小。 現(xiàn)在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[3]：

彈簧比壓取值為P=0.13kgf/cm2，材質(zhì)是1Cr18Ni12Mo，則需用剪切應(yīng)力τ=54kgf/cm2，剪切彈性模量G=7300kgf/cm2，彈簧指數(shù)C=9，則曲度系數(shù)K=1.1621，每個(gè)靜環(huán)彈簧個(gè)數(shù)為Z=12，H=13，

受壓面積由

（1）

（2）

每根彈簧的工作壓力：

P=P×S/12=0.935kgf ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

FT=0.935×24kgf=224.4N ? ? ? ? ? ? ?（4）

3.2干氣密封泄漏量、承載力及膜厚

密封件的泄漏量是離心式水力旋流壓縮機(jī)的非常關(guān)鍵的指標(biāo)。選擇合適的密封槽形式非常重要，可以對(duì)密封的泄漏實(shí)現(xiàn)有效地控制。離心式壓縮機(jī)的參數(shù)表明，氣體介質(zhì)的壓力不是很高，干氣密封端面之間的壓差小，采用串聯(lián)密封型，泄漏量可以得到有效控制。在用第二級(jí)干燥氣體密封端面后，緩沖氣體的泄漏也可以得到有效控制[4]。

氣體動(dòng)力學(xué)研究表明，當(dāng)通過間隙的氣流層最穩(wěn)定時(shí)，干氣密封的兩個(gè)密封面之間的間隙為2-3微米。所以，干氣密封膜厚度設(shè)計(jì)值一般選擇2-3微米[5]。 當(dāng)氣體靜壓力和彈簧力的閉合力等于氣膜反應(yīng)力時(shí)，膜厚度非常穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭旭東， 江錦波， 白少先等. 中低壓干氣密封螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù) ?優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報(bào)， 2014， 65（11）：4536-4542.

[2] 蔣小文， 顧伯勤. 螺旋槽干氣密封端面氣膜特性[J]. 化工學(xué)報(bào)， 2005， 56（8）：1419-1425.

[3] 黃文斌. 富氣壓縮機(jī)干氣密封的改造與應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)， 2002， 23（4）：53-55.

[4] 周衛(wèi). 雙端面干氣密封在富氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J]. 流體機(jī)械， 2002， 31（3）：52-53.

[5] 王超. 循環(huán)壓縮機(jī)干氣密封的改造與應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)， 2001， 22（3）：59-61.