流体机械密封学讲义

2019/8/81流体机械的密封一.迷宫密封（labyrinthseal)二.浮环密封（bushingseal)三.机械密封（mechanicalseal)四.干气密封（drygasseal)五.填料密封2019/8/82一.迷宫密封迷宫密封是在转轴周围设置若干个依次排列的环形密封齿，齿与齿之间形成一系列节流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。2019/8/831.迷宫密封的密封机理气体在压差的推动下，高速穿过狭小的齿顶间隙进入空腔，突然膨胀产生剧烈的漩涡，气流的绝大部分动能转化为热能而损失，残余的小部分动能以余速穿过下一级齿顶间隙继续降低流速和流量。连续经过数级梳齿后，可使残余速度和外漏量迅速的减小，而达到阻漏的目的。2019/8/842.迷宫密封的特点优点结构简单价格低廉功耗低寿命长缺点泄漏量大污染环境机组效率降低间隙过小可能对轴磨损2019/8/853.迷宫密封的典型结构充气密封示意图抽气密封示意图2019/8/86蒸汽阻塞密封示意图2019/8/874.迷宫密封在我厂应用合成车间老区的压缩机101-J（改造后为软密封）、105-J、新区氨冰机J-2501的级间密封、平衡盘密封均为此种形式，103-J的级间密封也为迷宫密封、合成气压缩机103-J平衡盘密封为蜂窝式密封，实质上是迷宫密封的特殊形式，其密封效果比普通迷宫密封要好，主要用在高压机组中，这样可以更好的平衡轴向推力，确保机组平稳、安全运行。2019/8/88二.浮环密封压缩机浮环密封通常是在转轴上安装两个以上的浮环，在浮环之间引入高于工艺气压力的密封油，运转时封油在浮环与轴套之间形成油膜，产生节流作用，阻止工艺气外泄而达到阻漏的目的。2019/8/891.浮环密封的密封机理套于轴上的圆环，其内壁与轴存在一定的间隙。轴旋转时，轴表面带动密封液进入偏心的楔形间隙内。在楔形间隙内产生流体动压效应，使环浮动抬升，环内壁脱离轴表面而变成非接触状态。在此状态下利用周向狭长间隙的节流作用而达到阻漏的目的。2019/8/8102.浮环密封的特点优点适用的转速压力范围较大寿命长用油封气，可做到不漏缺点密封油内泄漏量大，可能污染工艺气油系统投资较大，结构复杂，占地较大，运行维护费用高2019/8/8113.密封的典型结构2019/8/8124.浮环密封系统示意图2019/8/813三.机械密封1.机械密封的工作原理机械密封是一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持贴和并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。2019/8/8142.机械密封的典型结构常用的单端面机械密封的结构如图一图一机械密封原理图静环动环端盖弹簧弹簧座键、8、9密封圈销2019/8/815机械密封通常由四个部分组成：静环1；动环2；弹簧加载装置（由弹簧4；弹簧座5；键6组成）；辅助密封圈（静环密封圈7；动环密封圈9；端盖密封圈8），销子10固定在端盖上，用以防止静环转动通常机械密封一般有四个密封点（见图一）相对旋转密封点A——在弹簧和流体压力的作用下，使具有相对运动的动环和静环接触端面紧密配合，从而实现对流体密封的目的。2019/8/816在机械密封工作的过程中，要求密封端面之间保持一层液膜，这样会使密封效果好，使用寿命长；静环和压盖之间的密封点B—通常采用各种形式的辅助密封圈，我厂的设备此处密封主要用”O“环，其作用防止流体从静环与压盖之间流出，这是一种静密封；动环和轴套之间的密封是一种相对静止的密封，要求在动、静环工作一段时间磨损后能后做微量的轴向移动，压盖上的密封点D—是一种静密封通常用垫片或”O“环处理，通常不会失效。2019/8/817机械密封的分类由于生产实践所提出的要求不同，因此便产生了不同结构形式的机械密封，虽然它们结构上有些区别，但是密封原理却大同小异。机械密封的分类方法很多，大致分类如下：1、平衡型与非平衡型这是按照介质压力在动静环端面上所引起的比压的卸载情况来分类的，由于密封装置的结构形式不同，所以介质的压力在动静环端面上所引起的作用也就不同，图二为内装非平衡型机械密封的简图。2019/8/818D1d0D2P介图二内装非平衡型机械密封K内大于12019/8/819由图可知：在这种结构形式下，介质的压力就会使端面压紧，并且在端面上产生的比压要大于介质压力，由于这种形式的机械密封不产生卸荷作用，故称为非平衡型，由于它没有卸荷作用，所以当工艺参数波动，介质压力升高时，密封面的比压也会随着增加，从而促使密封端面的液膜被破坏，造成端面过度磨损或烧伤，致使密封作用失效，因此一般非平衡型密封，一般多用在介质压力在0.3—0.5MPa的情况下或者用在40—60公斤／厘米2的范围内。2019/8/820P介d0D2D1图三内装平衡型机械密封2019/8/821图三为内装平衡型机械密封，由图可见：在这种结构形式中，介质的压力起到使密封端面拉开的作用，象这种能起卸荷作用的结构形式，称为平衡型。图四为部分平衡型机械密封，因为:而0K内1，介质压力促使密封面压紧。D22－d02负荷面积2019/8/822但是由于接触面积大于负荷面积，故介质在密封面上产生的比压要小于介质的压力，从而起到卸荷的作用，且随着K内值的减小，卸荷作用越大，通常取K内=75%左右。内装平衡型机械密封可以在较广的范围内使用，但是由于轴（或轴套）必须制成台阶，所以成本比非平衡型的高，因此在运行条件允许的情况下，尽可能的用非平衡型的。2019/8/8232、静止型和旋转型静止型与旋转型是按弹簧加荷装置来定的，弹簧加荷装置随轴一起旋转的，称为旋转型，如图五，弹簧加荷装置不随轴一起旋转的，称为静止型，如图六2019/8/824图五旋转型机械密封图六静止型机械密封2019/8/825一般多采用旋转型结构，因为弹簧装置及其轴的结构简单，径向尺寸小，但是当旋转速度大于30米/秒时，由于其离心力大并且动平衡要求高所以采用静止型较为合适。3.内流和外流型按介质的泄漏方向分为内流和外流型，介质沿半径方向从端面外周向内流的称为内流型，介质沿半径方向从端内周向外流的称为外流型。内流型介质的泄漏方向与离心力方向相反，离心力阻碍流体的泄流，因而内流型的泄漏比外流型少，对于固体介质颗粒的采用内流型更为合适，这样可以减少固体颗粒进入密封端面，有利于密封效果并能提高使用寿命，外流型的润滑性能比内流型的好，故可以用在高速的情况下。2019/8/826机械密封的冷却、冲洗和过滤机械密封的冷却、冲洗和过滤的必要性：机械密封动、静环摩擦面温度的升高会给机械密封的平稳运行带来不利影响，温度过高会使端面液膜破坏，使动、静环端面产生强烈磨损，致使密封失效，温升一方面由于端面摩擦引起，另一方面也是由于密封介质的温度过高引起，因此当密封介质的温度超过80度时，除了考虑材料能耐高温外，还必须采取措施进行冷却以降低密封腔的温度。当密封介质含有悬浮颗粒和杂质还必须采用过滤和冲洗措施。2019/8/827常用的冲洗、冷却措施有：冲洗型冷却（分为自身冲洗-一般机泵都采用这种方式和外部冲洗）、静环背部冷却、静环外周冷却、冲洗与静环背部组合冷却、冲洗、静环背部及水冷夹套组合（104J)。过滤分为：并联过滤和旋液过滤。2019/8/8281.机械密封的特点优点内漏量低对轴无磨损可靠性高功耗低寿命长缺点承受的压力速度有限结构较复杂，对制造安装要求较高价格较高2019/8/8292.机械密封的典型结构双端面机械密封2019/8/830机械浮环组合式密封2019/8/831四.干气密封干气密封是一种新型的非接触式轴封，干气密封的概念是六十年代末期从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典型。经过数年的研究，美国约翰·克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。2019/8/832实践表明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，它主要用于管线、海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统。2019/8/833由于干气密封属于非接触式密封，基本上不受PV值的限制，因此干气密封特别适合作为在高速高压条件下的大型离心压缩机轴封。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得以解决，而不再会受到密封润滑油的限制，而且其所需的气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。2019/8/834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零逸出，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。2019/8/835下表为压缩机干气密封与其它常见密封的泄漏量比较试验机组使用条件：轴径140mm,转速5000r/min,工艺气压力0.6MPa,封油（气）压力0.75MPa.2019/8/836与普通接触式机械密封相比，干气密封有以下主要优点：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。大大减少了计划外维修费用和生产停车。避免了工艺气体被油污染的可能性。密封气体泄漏量小。维护费用低，经济实用性好。密封驱动功率消耗小。密封寿命长，运行可靠。2019/8/837二、干气密封的工作原理与其它机械密封相比，干气密封在结构方面基本相同。其主要区别在于，干气密封的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽，干气密封能在非接触状态下运行就是靠这些浅槽在运转时产生的流体动压效应使密封面分开。2019/8/838干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。2019/8/839单旋向槽型在目前的压缩机组上使用最多，常见的主要有以上几种。单旋向槽型只可使用于单向旋转的机组，在要求的旋向下才可产生开启力，如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。但相对于双旋向的槽型，它可形成更大的开启力和气膜刚度，产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。故在很低的转速下和较大的振动下也可使用。2019/8/8402019/8/841双旋向槽型常见有以上几种。该槽型使用无旋向要求，正反转皆可。机组的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽，但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。2019/8/842对比干气密封各种槽型的研究结果，最终确认在同样的工作参数下，以螺旋线设计的槽型具有最大的气膜刚度的同时仅有较小的泄漏量。即具有最大的刚漏比。下面重点介绍这种槽型。2019/8/843下图所示是典型的干气密封螺旋槽端面的示意图。密封面上加工有一定数量的螺旋槽，其深度小于10微米。密封运转时，被密封气体周向吸入螺旋槽内，径向分量由外径朝中心（即低压侧）流动，而密封坝限制气体流向低压侧。气体随着螺旋槽截面形状的变化被压缩，在槽根部形成局部的高压区，使端面分开几微米而形成一定厚度的气膜。2019/8/844在此厚度气膜下，由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭合力达到平衡，于是密封实现非接触运转。干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的正刚度，保证了密封运转的稳定性。为了获得必要的流体动压效应，动压槽必须开在高压侧。2019/8/8452019/8/846上图所示为螺旋槽干气密封的作用力图，从图上可以看出气膜刚度是如何保证密封运转的稳定性的。在正常情况下，密封的闭合力等于开启力。当受到外来干扰（如工艺或操作波动），气膜厚度变小，则气体的粘性剪力增大，螺旋槽产生的流体动压效应增强，促使气膜压力增大，开启力随之增大，为保持力平衡密封恢复到原来的间隙；反之，密封受到干扰气膜厚度增大，则螺旋槽产生的动压效应减弱，气膜压力减小，开启力变小，密封恢复到原来的间隙。2019/8/847因此，只要在设计范围内，当外来干扰消除后，密封总能恢复到设计的工作间隙，即干气密封具有自我调节的功能而保证运行稳定可靠。衡量密封稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大小，气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜