加氫循環壓縮機干氣密封的工作原理及優化設計

宋道明

摘要：干氣密封具有密封性好、摩擦熱小、磨損慢、壽命較長等優點，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構，利用程序對螺旋槽干氣密封端面結構進行了優化，并以加氫循環氫壓縮機為使用對象，針對其結構特點和操作條件，對干氣密封的承載力、泄漏量、膜厚、載荷系數、彈簧力等關鍵參數進行了計算和說明。

關鍵詞：干氣密封;加氫循環氫壓縮機;螺旋槽;端面結構

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， 當兩個密封端面相對于彼此旋轉時，由淺槽產生動壓效應，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工作。 由于密封表面不接觸，因此密封產生的摩擦熱很小，確保兩個密封表面的氣體潤滑，并且密封壽命長。因為密封表面的氣隙很?。ㄍǔ閹孜⒚祝?，因此產生的氣體泄漏較小。密封端面處的氣體通常是緩沖氣體，產生的流體動壓阻礙了介質氣體的泄漏，從而實現了氣體密封的目的。

圖1所示為典型的干氣密封結構，主要由彈簧座、彈簧、靜環、旋轉環、密封圈以及軸套等組成。

二、干氣密封結構參數對密封的影響

2.1槽深的影響

槽深對干氣密封的性能影響較大，在這里假設槽密封表面的其他結構參數不變，使槽的深度不斷改變，觀察密封性能的變化。通過大量的數值計算，得到了槽深和密封性能的關系曲線。圖2表示了螺旋槽密封槽的深度對密封的氣膜剛度、承載能力、泄漏量和泄漏比的影響。如圖所示，當螺旋槽密封的槽深約為設計膜厚的3.5倍時，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

螺旋角對密封的性能影響也很大，圖3的三組曲線表示了螺旋角對密封的承載能力、剛漏比、泄漏量以及氣膜剛度的影響。從圖中可以看出，當螺旋角的值是20o時，密封的剛漏比、承載能力和氣膜剛度達到最大值 [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密封性能的關系。該圖表明，當槽寬比約為0.6時，氣剛度、承載能力和泄漏比達到最大。密封的性能在溝槽寬度壩寬度比在0.4至1的范圍內不會發生太大變化。

三. 干氣密封參數

3.1彈簧力計算

作用在靜環上的彈簧起到將動靜環壓緊的作用，其值不能太大或太小。 現在對其結構進行計算[3]：

彈簧比壓取值為P=0.13kgf/cm2，材質是1Cr18Ni12Mo，則需用剪切應力τ=54kgf/cm2，剪切彈性模量G=7300kgf/cm2，彈簧指數C=9，則曲度系數K=1.1621，每個靜環彈簧個數為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的非常關鍵的指標。選擇合適的密封槽形式非常重要，可以對密封的泄漏實現有效地控制。離心式壓縮機的參數表明，氣體介質的壓力不是很高，干氣密封端面之間的壓差小，采用串聯密封型，泄漏量可以得到有效控制。在用第二級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]。

氣體動力學研究表明，當通過間隙的氣流層最穩定時，干氣密封的兩個密封面之間的間隙為2-3微米。所以，干氣密封膜厚度設計值一般選擇2-3微米[5]。 當氣體靜壓力和彈簧力的閉合力等于氣膜反應力時，膜厚度非常穩定。

參考文獻：

[1] 彭旭東， 江錦波， 白少先等. 中低壓干氣密封螺旋槽結構參數 ?優化[J]. 化工學報， 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]. 化工學報， 2005， 56（8）：1419-1425.

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

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

[5] 王超. 循環壓縮機干氣密封的改造與應用[J]. 石油化工設備技術， 2001， 22（3）：59-61.