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压缩机轴端密封的几种类型

压缩机轴端密封的几种类型

发布时间:
2015/01/05

压缩机轴端密封的几种类型
 

本文介绍压缩机轴端密封的几种类型及特征,并对干气密封在实用中的几种组合设计进行分析。

关键词:轴端密封类型特征适宜场合

一、前言

通用电气油气公司于2004年5月20日在上海借第二届中国国际流体机械展览会之机举行了透平机械产品介绍和技术交流会。在会上, 我们简要地提了一下压缩机轴端密封的选择和干气密封支持系统的控制方法问题,从而引起了一些与会者的兴趣。这次借本文谈一下压缩机的轴端密封及其选择原则。我们欢迎中国同行和用户提供宝贵的回馈意见和看法,以使我们互相学习,共同提高,一起为中国的机械工业,石化工业,化学工业和其他相关工业的发展和提高做出贡献。

轴端密封件是压缩机的一个重要部件,应用于压缩机的有好几种类型。每一种类型由于不同的设计从而在性能、售价和维护费用上有其独特的优点和缺点,进而影响到整个压缩机系统有效运行时间及寿命,购买价格和运转费用。无论对用户或者制造商来说,昂贵或者复杂的轴端密封并不意味着最好的性能或者最大的经济效益。

二、轴端密封的类型及其特性

1碳环(轴套)型/迷宫密封

(1)工作原理

最简单的轴端密封是轴套型,其结构是一个与旋转轴有间隙配合的轴套。最常用的轴套材料是碳聚合材料。但在有些特殊应用场合也用其他金属或者其他聚合材料。因为旋转轴与轴套间的间隙是唯一的泄漏通道,所以这种密封是通过限制这样的间隙来控制泄漏量的。由于碳聚合材料的强度不是太大,所以在实用中,碳环密封对其上下游之间压力差有一定的限制。

与轴端密封同样简单的另一种密封是所谓的莱布尼兹密封或称迷宫密封。不同处在于迷宫密封有在圆周方向的轴向排列的齿和齿槽。这些齿可以在静止的密封环的内圆上(称静止环),也可以在旋转轴或紧配合在旋转轴上的轴套的外圆上(称旋转型)。一个个的齿将所需要密封处和泄漏处的压力差从高到低地分成一个个的串联的压力单元,从而达到减小泄漏量的目的。齿型密封的材料可以是铝、黄铜或其他聚合材料。值得一提的是旋转型迷宫密封的优点是可以用较软的易磨损材料做密封套,从而径向间隙可以很小。这样就可以大大降低泄漏量。例如在一些有很高回流控制要求的离心压缩机上,这样的密封设计就既简单、可靠又很有效。

(2)适用场合

一般密封压力应小于4×105Pa(4bar)
(3)特性

1)泄漏量高。

2)价格低。

3)运行费用高(由于较高的缓冲气体用量),除非迷宫密封的齿损坏或者碳环密封的碳环材料软化,缓冲气体的用量一般很稳定。

4)失效模式渐进式。

5)置换形式碳环或齿型密封。

2油隔离式机械平面密封

(1)工作原理

油隔离式机械平面密封被成功地应用于透平机械上已有很长的历史。其结构是由一个碳环和一个密封座组成。碳环和密封座各有一个光滑轴向平面相贴。这个碳环能够有限地径向浮动。进入密封装置的密封油的压力应略高于所需密封的气体压力。碳环的轴向平面在密封油压力的作用下紧贴密封座的光滑密封平面从而形成密封。大部分的密封油会与工作气体混合后流向工作气体一边的泄漏口,而小部分流向另一边的泄漏口。这些泄漏出来的密封油可以通过收集、气体分离处理后循环使用。密封油的泄漏量主要取决于密封的设计间隙。这种轴端密封理论上可以应用于任何常见压力密封。其泄漏量比碳环和齿型密封要小。 其缺点是由于要提供给密封油和对油进行后处理,所以需要一个很大的密封油供油和处理系统。

(2)适用场合

可用于任何常见的密封压力。当用于较高的密封压力场合时,油的压力也必须相应提高,从而油泄漏量也会随之增加。如果能容许高的泄漏量,或者增加环的级数,密封压力也能相应提高。推荐用于没有使用分离气体的场合。

(3)特性

1)泄漏量379~1137dm3(1~3USgal/d)密封油。

2)价格中等。

3)运行费用取决于整个油系统的能量消耗。

4)失效模式可以是渐进型也可以是突变型。

5)置换形式整个密封。

3多级环形密封

(1)工作原理

多级环形密封在设计上类似于油隔离式机械密封。然而它有两个主要不同点区别于油式密封:第一是密封媒体不限于油, 气体或蒸汽也可以;第二是由于多级环形密封具有多个串联的密封环,从而就像齿型密封一样把整段压差分解成从高到低的压力段。多级环形密封实际是目前先进的干气密封的前驱。

(2)适用场合

适用于小于105MPa的密封压力。

(3)特性

1)泄漏量低。

2)价格中等。

3)运行费用低。

4)失效模式渐进(可预测)。

5)置换形式密封环。

4干气密封

(1)工作原理

有据可查的干气密封的基本工作原理至少已有一个世纪的历史。类似于油隔离式机械密封,其结构是由一个旋转和一个静止的环所组成。两个环被称作干气密封的平面对。干气密封所用干净气体有三种功能:密封、润滑和冷却。其中旋转环的密封面上刻有气体动力槽,从而产生轴向推力。这个推力经过精确的计算足够克服来自于静止环背后的轴向弹簧力,但这个间隙又不会大得使大量的气体泄漏,从而在两个环的密封面之间产生间隙,以便设计的密封气体泄漏量通过。泄漏量取决于干气密封的尺寸大小,正常的干气密封泄漏量一般在3~30L/min。大的干气密封的泄漏量也随之而大。干气密封的优化设计需要考虑运行速度、温度、密封压差和密封内的冷却要求等因素。

(2)适用场合

在干气密封运行时的温度、压力和转速的综合作用下,任何进入干气密封的液体对干气密封的功能和工作寿命是非常有害的,所以必须避免。大多数制造商和API (美国石油学会)标准规定了进入干气密封的气体的最低温度,至少在该气体的露点温度以上的20℃,从而保证气体的干燥度。

如前所述,在旋转环相对静止环的密封平面上刻有气体动力槽。当旋转环旋转时,由于气体的粘性和槽的阻挡作用在两个密封平面向产生轴向推力形成一个间隙,密封气体就是通过这个间隙而泄漏。为了控制这个间隙的大小,在静止环的背后装有几个轴向弹簧,而静止环虽然不能动但可以有限制的轴向浮动。当旋转环静止时,由于在两个平面间没有气体产生轴向推力,所以两个平面在弹簧力作用下紧紧贴在一起没有间隙。当旋转环转动时,由于气体动力槽产生的轴向推力就会推开静止环,而在两平面间产生气体膜,从而产生间隙。这个间隙的大小取决于气体轴向推力的大小。而由旋转产生的轴向推力取决于气体动力槽的几何形状和尺寸。一般都经过精确的计算和设计。干气密封的旋转环可以被想象成一个精细的离心叶轮。

三、干气密封一般在实用中的几种组合设计
1串联式干气密封

(1)工作原理实用中最常见的干气密封设计是串联式。串联式干气密封由主级和副级两个密封平面串联组成。基本的串联式干气密封在工作时,压力高于所要密封的气体压力的干净的工艺气体(也可能是冷却过的)进入主级密封平面对。在正常工况下,大部分密封气体流向压缩工作端(其流量通常由一个齿型密封控制,见图3左下角),余下的大约10%~20%的密封气体通过主密封平面对之间的间隙流向泄漏口方向,同时带走一定的热量。这些流向泄漏口方向的气体99%
通过两个密封平面对之间的通道流向主泄漏口。API要求对从主泄漏口流过的泄漏量进行监控从而监控干气密封的工作情况。值得注意的是由于压力和温度的不同,特别是一些多转子压缩机例如螺杆压缩机,每个干气密封可能有不同的泄漏量。

余下的流向泄漏口方向的气体就会通过副级密封平面对流向压缩机的外工作端。在正常工况下,通过副级密封平面对的流量很小,以致于在工作时不可能监控,所以这个泄漏量是不监控的。

另一种串联式干气密封是带有中间隔离装置的。这种设计在两个密封平面对之间加了一个额外的装置,这对压缩机周围环境的密封加强了保护。这种设计是我们公司几十年来的标准设计。这种串联式干气密封的主级密封部分相同于上面的基本设计型,只是主副密封级之间加了一级齿型密封。这种设计要求增加一个二级隔离气体进口。二级隔离气体通常是氮气或其他惰性气体。二级隔离气体进入密封的压力通常略高于大气压加上副泄漏通道的背压。二级隔离气体进入密封后分两路。其中至少一半通过齿型密封与主密封气体混合后进入主泄漏通道。从主泄漏通道流出的气体可以被收集后排放或者燃烧,这取决于设计的后处理手段。余下的二级隔离惰性气体通过副级密封平面对之间的间隙流向副泄漏通道而排出密封装置。这种设计保证了只有惰性气体才有可能被排放至大气。

(2)适用场合

任何密封压力,推荐用于压缩机的工作气体不允许有任何杂质混合的场合。
(3)特性

1)泄漏量低。

2)价格:高。

3)运行费用:低。

4)失效模式:突变。

5)置换模式:整个密封装置。

2双联背向型干气密封

(1)工作原理:

这是另一种常见的干气密封设计。因为两个密封平面对形成镜对称的组装方式,这种设计被称为“背靠背"型。这种装置的隔离气体一般是氮气或其他惰性气体。隔离气体同时进入密封平面对。除非特殊设计,隔离气体一半进入压缩机工作端而另一半流向非工作端。当压缩机工作气体不能混杂隔离气体时,密封可被设计成让隔离气体偏流向非工作端密封平面对,但在工作端的密封平面对就需要另外的干净工作气体来进行隔离密封。这种密封在通常情况下只有一个泄漏口,而被认为是最佳的密封。

图5“背靠背”型干气密封

(2)适用场合

密封压力有一定的限制。当密封压力高于35MPa时,应与压缩机和干气密封制造进行商讨。

推荐用于不允许任何压缩工作气体污染大气环境的场合。

(3)特性

1)泄漏量低。

2)价格高。

3)运行费用低。

4)失效模式突变型。

5)置换模式整个密封装置。

(4)其他在轴端密封设计和选择中需考虑的因素

最关键应该考虑的因素是要密封的气体类型和压力。例如。对于中等压力(低于70MPa)的有毒气体,双联背向型应该是优先的选择。而对于高压(大于175MPa)的从气体的类型和浓度上来考虑非毒性气体,串联型干气密封也许是可接受的选择。对于低压(低于15MPa)的潮湿而不干净的应用场合,干气密封就不宜使用。

油隔离型密封通常在潮湿而不干净的应用场合要优于干气密封系统。这里我们要强调的一点是没有一种轴端密封系统是万能的而适用于任何场合。

除了工艺上的考虑,尺寸也是很重要的,密封的尺寸受到径向轴承尺寸的制约。当径向轴承根据负载情况和转子动力学要求选定后,径向轴承的尺寸就决定了主轴在密封处的容许尺寸。对于梁型压缩机来说,径向轴承必须后于密封安装而先于拆卸。所以密封的尺寸必须大于径向轴承。只有对于悬挂式压缩机来说,安装和拆卸顺序可能会相反,但是一般来说,密封的内径大于径向轴承处的轴径为3mm以上为宜,以便保护径向轴承处光滑的轴表面。因此,在很多场合,径向轴承的尺寸限制了密封的最小尺寸。而当径向轴承大于230mm时,适用的干气密封可能很难在市场上找到。另一方面,对于很小的压缩机,例如在密封处的轴径可能只有25~80mm。虽然干气密封不难制造,但是,密封控制系统可能就显得非常的不经济。所以,轴端密封的选择还必须考虑其经济性。

其他注意点有:密封装置所用材料与工艺气体的相容性;工艺气体对密封所用材料的腐蚀性;在高速压缩机上,密封气体的转子部分由于离心力产生的变形等。

 

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