介紹了螺旋槽氣膜浮環(huán)密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用CFD - FLUENT軟件分析比較了普通浮環(huán)、無壩區(qū)螺旋槽浮環(huán)和有壩區(qū)螺旋槽浮環(huán)3種結(jié)構(gòu)的密封性能,建立了螺旋槽幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)浮升力、泄漏量等影響的規(guī)律曲線。計(jì)算結(jié)果表明:有壩區(qū)螺旋槽浮環(huán)結(jié)構(gòu)密封性能最好;螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封特性影響較大,綜合考慮較小的泄漏量和較大的浮升力,取較小的螺旋角,槽數(shù)26～30,槽長7～9mm,槽深25μm左右,槽寬比0.5較適宜。

1、前言

　　浮環(huán)密封是壓縮危險(xiǎn)性工藝氣體的透平壓縮機(jī)軸端密封的傳統(tǒng)型式。其優(yōu)點(diǎn)是屬于非接觸式密封,壽命長,可靠性高,適用于高速和高壓工況。但是,由于它是靠浮動(dòng)的小間隙節(jié)流來限制泄漏,因此內(nèi)泄漏量較大。

　　為提高浮環(huán)密封的密封性能,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種型式浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)方面的研究,包括內(nèi)表面開設(shè)各種溝槽如長方形環(huán)形溝槽、長方形環(huán)形溝槽附加長方形臺(tái)階、正弦曲線環(huán)形溝槽^[1] 、淺槽環(huán)瓣型浮環(huán)^[2～4] ,以及未開槽的L 型環(huán)、錐形環(huán)、扇形浮環(huán)等^[5] 。

　　本文借助CFD-FLUENT軟件,對(duì)螺旋槽浮環(huán)密封進(jìn)行數(shù)值模擬,比較普通浮環(huán)、無壩區(qū)螺旋槽浮環(huán)、有壩區(qū)螺旋槽浮環(huán)3種結(jié)構(gòu)的密封性能,得出了螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封特性的影響。

2、螺旋槽氣膜浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　浮環(huán)密封通常采用“以油封氣”的原理來實(shí)現(xiàn)被密封氣體的零泄漏,是一種液體(油)節(jié)流式非接觸式密封,通過油楔作用使浮環(huán)克服自重與軸或軸套保持一定的間隙。而為丁二烯螺桿壓縮機(jī)開發(fā)出的螺旋槽浮環(huán)密封采用“以氣封氣”的原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)丁二烯氣體的密封,以氣體作為潤滑劑,較油作為潤滑劑可降低摩擦功耗,減少運(yùn)行成本。應(yīng)用在中石化廣州石化乙烯廠螺桿壓縮機(jī)的螺旋槽浮環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示,通過在光滑浮環(huán)內(nèi)表面上開螺旋槽,綜合了浮環(huán)密封與螺旋密封各自的優(yōu)點(diǎn),將兩種傳統(tǒng)密封型式有效地“嫁接”在一起,其作用主要有:

　　(1) 具有反向泵送作用(圖示由左向右泵送) ,一方面可降低DMF的經(jīng)排出孔的泄漏量,減少物質(zhì)損失,另一方面可有效阻止高滲透性的DMF侵入機(jī)械密封內(nèi)徑側(cè),減緩丁二烯自聚的趨勢(工業(yè)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)首先出現(xiàn)DMF的泄漏,然后產(chǎn)生封油的泄漏) ;

　　(2)借助螺旋槽流體動(dòng)壓效應(yīng)可提高碳石墨浮環(huán)的浮動(dòng)性(或?qū)χ行? ,降低浮環(huán)與軸的摩擦磨損,相應(yīng)延長浮環(huán)和軸的使用壽命;

　　(3)可減少氣相丁二烯經(jīng)平衡管的內(nèi)漏量,提高壓縮機(jī)的效率;與此同時(shí),可一定程度減少氣相丁二烯經(jīng)排出孔的泄漏量, 降低分離系統(tǒng)的負(fù)荷。

圖1　螺旋槽浮環(huán)結(jié)構(gòu)示意

4、結(jié)論

　　(1)有壩區(qū)螺旋槽結(jié)構(gòu)流體動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng),具有良好的密封性能(泄漏量低、浮升力大等) ,普通浮環(huán)結(jié)構(gòu)次之,無壩區(qū)螺旋槽結(jié)構(gòu)最差,但密封介質(zhì)為液體(水)時(shí),無壩區(qū)結(jié)構(gòu)密封性能將優(yōu)于普通浮環(huán);

　　(2)螺旋槽各參數(shù)對(duì)浮環(huán)密封性能(泄漏量、浮升力)影響較大,在對(duì)螺旋槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮較小的泄漏量和較大的浮升力,取較小的螺旋角,槽數(shù)26～30,槽長7～9mm,槽深25μm左右,槽寬比0. 5較適宜;

　　(3) 上述結(jié)論是在轉(zhuǎn)速為6000 r /min,壓差為0.02MPa的條件下得到的,在實(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工況條件綜合考慮螺旋角、槽數(shù)、槽長、槽深、槽寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的浮環(huán)密封結(jié)構(gòu);

　　應(yīng)該指出,本文的設(shè)計(jì)分析僅僅考慮每個(gè)因素的單獨(dú)作用,是一種工程上近似的設(shè)計(jì)方法,忽略了各因素之間可能會(huì)關(guān)聯(lián)起來,影響設(shè)計(jì)結(jié)果,從而不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 　Baheti S K, Kirk R G. Finite element thermo - hydrodynamic analysis of a circumferentially grooved floating oil ring seal [J]. Tribology Transactions, 1995, 38(1) : 86296.
　　[2] 　王飛,劉向鋒,劉瑩. 淺槽環(huán)瓣型浮動(dòng)環(huán)密封的參數(shù)優(yōu)化[J]. 潤滑與密封, 2006, (2) : 1052107.
　　[3] 　王飛,劉向鋒,劉瑩. 淺槽環(huán)瓣型浮動(dòng)環(huán)密封的性能分析[J]. 潤滑與密封, 2005, (6) : 74276.
　　[4] 　蘇令,劉向鋒,劉瑩. 淺槽環(huán)瓣型浮動(dòng)環(huán)密封的動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 潤滑與密封, 2007, 32 (1).
　　[5] 　Shap iroW, Lee C, Jones H. Analysis and design of a gaslubricated, sectored, floating ring seal[J]. Transactions of the ASME, 1988, 110 (7) : 5252532.
　　[6] 　張賢曉,郝木明,項(xiàng)樹光. 螺旋槽浮環(huán)密封性能分析[J]. 潤滑與密封, 2009 (4).