干气密封技术在机械密封替代方面的应用及参数影响

干气密封是20世纪60年代末期，从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。经过数年的研究，英国的约翰克兰公司于70年代末期率先将干气密封应用到海洋平台的气体输送设备上，并获得成功。干气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而出现的，由于密封非接触运行，因此密封摩擦副材料基本不受pv值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。随着干气密封技术的日益成熟，其应用范围也越来越宽广。目前，干气密封正逐渐在离心泵及搅拌器上得到应用。总之，凡使用机械密封的场合均可采用干气密封。与机械密封相比，干气密封具有如下优点：

1）密封使用寿命长、运行稳定可靠；

2）密封功率消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右；

3）与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小；

4）可实现介质的零逸出，是一种环保型密封；

5）密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护。

1.干气密封工作原理

典型的干气密封结构如图5-19所示，由旋转环、静环、弹簧、密封圈、弹簧座和轴套组成。图5-20所示为干气密封旋转环示意图，旋转环密封面经过研磨、抛光处理，并在其上面加工出有特殊作用的流体动压槽。

图5-19 干气密封结构示意

1—弹簧座 2—弹簧 3—静环 4—旋转环 5—密封圈 6—轴套

干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外圆周朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3μm左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在2～3μm时，通过间隙的气体流动层最为稳定，这也就是为什么干气密封气膜厚度设计选定在2～3μm的主要原因。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反作用力相等时，该气膜厚度十分稳定。

正常条件下，作用在密封面上的闭合力（弹簧力和介质力）等于开启力（气膜反作用力），密封在设计工作间隙下工作。

图5-20 干气密封旋转环

当受到外部干扰，气膜厚度减小，则气膜反作用力增加，开启力大于闭合力，迫使密封工作间隙增大，恢复到正常值。

相反，若密封气膜厚度增大，则气膜反作用力减小，闭合力大于开启力，密封面合拢，恢复到正常值。因此，只要在设计范围内，当外部干扰消失以后，气膜厚度就可以恢复到设计值。(www.xing528.com)

可见，干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的气膜刚度，气膜刚度越大，干气密封抗干扰能力越强，密封运行越稳定可靠。干气密封的设计就是以获得最大的气膜刚度为目标而进行的。

2.影响干气密封的主要性能参数

干气密封的性能主要体现在密封运行的稳定性（或者说使用寿命）和密封泄漏量之间的协调。影响干气密封泄漏量的直接因素即为干气密封的气膜厚度，也就是干气密封运转时密封面间形成的工作间隙。影响干气密封性能的参数分为密封结构参数和密封操作参数。

（1）密封结构参数

1）干气密封动压槽形状。从流体动力学角度来讲，在干气密封端面开任何形状的沟槽，都能产生动压效应。理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动压效应最强，将其作为干气密封动压槽而形成的气膜刚度最大，即干气密封的稳定性最好。

2）干气密封动压槽深度。理论研究表明，干气密封流体动压槽深度与气膜厚度为同一量级时，密封的气膜刚度最大。实际应用中，干气密封的动压槽深度一般在3～10μm。在其余参数确定的情况下，动压槽深度有一最佳值。

3）干气密封动压槽数量、动压槽宽度、动压槽长度。干气密封动压槽数量趋于无限时，动压效应最强。不过，当动压槽达到一定数量后，再增加槽数时，对干气密封的性能影响已经很小。此外，干气密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定的影响。

（2）密封操作参数及影响 密封直径与转速对泄漏量的影响：密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，干气密封的泄漏量就越大。

密封介质压力对泄漏量的影响：在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。

介质温度、介质黏度对泄漏量的影响：介质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质黏度有影响而造成的。介质黏度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力也增加。因此，其对密封泄漏量的影响不是很大。

3.干气密封特点

（1）先进的设计 根据流体力学原理，技术人员通过大量数值理论计算，对数十种流体动压槽型进行了定量分析，开发出数种动压槽形以满足各种工况的密封，并且还开发出专门用于干气密封理论计算的软件，保证了设计制造出的干气密封的可靠性。该软件可用于所有干气密封及上、下游泵送密封的设计计算。将工艺参数输入后，经过大量数值计算即可得到干气密封的最佳结构参数，据此可以设计、制造出性能稳定可靠的干气密封等动压型密封。

（2）先进的材料 生产的干气密封材料组对采用优质SiC配浸渍金属石墨。SiC是目前世界上最好的摩擦副材料之一，它具有表面硬度高、摩擦系数小、热传导性能好、比重小等特点。但由于SiC材料加工难度大，因此，没有及时广泛地应用于干气密封。研制出的加工设备彻底解决了SiC材料微加工的难题，从材料方面进一步提高了干气密封的可靠性。

（3）先进的加工手段 现在已研制出了可在SiC、硬质合金等材料表面加工各种型槽的专用设备，该设备采用计算机控制，可以加工出任何槽形、任何深度的干气密封摩擦副，保证了生产出的干气密封与理论计算相吻合。

（4）先进的试验验证手段 现建有大型高速试验台，其转速达18000r/min，压力达5.0MPa，可对该参数以下的所有机械密封、干气密封产品按技术协议进行工况模拟试验，通过试验验证、理论计算、检验制造质量，以确保产品质量，保证现场一次安装运转成功。