加氢循环压缩机干气密封的工作原理及优化设计

宋道明

摘要：干气密封具有密封性好、摩擦热小、磨损慢、寿命较长等优点，是一种非常重要的非密封形式。本文介绍了干气密封的基本原理和一般结构，利用程序对螺旋槽干气密封端面结构进行了优化，并以加氢循环氢压缩机为使用对象，针对其结构特点和操作条件，对干气密封的承载力、泄漏量、膜厚、载荷系数、弹簧力等关键参数进行了计算和说明。

关键词：干气密封;加氢循环氢压缩机;螺旋槽;端面结构

一、干气密封工作原理

干气密封的功能原理是在密封面上开一定形状的浅槽， 当两个密封端面相对于彼此旋转时，由浅槽产生动压效应，在摩擦副之间形成很薄的气膜层，使得密封件以非接触状态工作。 由于密封表面不接触，因此密封产生的摩擦热很小，确保两个密封表面的气体润滑，并且密封寿命长。因为密封表面的气隙很小（通常为几微米），因此产生的气体泄漏较小。密封端面处的气体通常是缓冲气体，产生的流体动压阻碍了介质气体的泄漏，从而实现了气体密封的目的。

图1所示为典型的干气密封结构，主要由弹簧座、弹簧、静环、旋转环、密封圈以及轴套等组成。

二、干气密封结构参数对密封的影响

2.1槽深的影响

槽深对干气密封的性能影响较大，在这里假设槽密封表面的其他结构参数不变，使槽的深度不断改变，观察密封性能的变化。通过大量的数值计算，得到了槽深和密封性能的关系曲线。图2表示了螺旋槽密封槽的深度对密封的气膜刚度、承载能力、泄漏量和泄漏比的影响。如图所示，当螺旋槽密封的槽深约为设计膜厚的3.5倍时，气膜刚度，泄漏比和承载能力最大。因此，在密封加工过程中，需要精确控制槽深[1]。

2.2 螺旋槽角的影响

螺旋角对密封的性能影响也很大，图3的三组曲线表示了螺旋角对密封的承载能力、刚漏比、泄漏量以及气膜刚度的影响。从图中可以看出，当螺旋角的值是20o时，密封的刚漏比、承载能力和气膜刚度达到最大值 [2]。

2.3螺旋槽槽宽的影响

图4说明了螺旋槽的槽宽坝宽比与对密封性能的关系。该图表明，当槽宽比约为0.6时，气刚度、承载能力和泄漏比达到最大。密封的性能在沟槽宽度坝宽度比在0.4至1的范围内不会发生太大变化。

三. 干气密封参数

3.1弹簧力计算

作用在静环上的弹簧起到将动静环压紧的作用，其值不能太大或太小。 现在对其结构进行计算[3]：

弹簧比压取值为P=0.13kgf/cm2，材质是1Cr18Ni12Mo，则需用剪切应力τ=54kgf/cm²，剪切弹性模量G=7300kgf/cm²，弹簧指数C=9，则曲度系数K=1.1621，每个静环弹簧个数为Z=12，H=13，

受压面积由

（1）

（2）

每根弹簧的工作压力：

P=P×S/12=0.935kgf                  （3）

FT=0.935×24kgf=224.4N              （4）

3.2干氣密封泄漏量、承载力及膜厚

密封件的泄漏量是离心式水力旋流压缩机的非常关键的指标。选择合适的密封槽形式非常重要，可以对密封的泄漏实现有效地控制。离心式压缩机的参数表明，气体介质的压力不是很高，干气密封端面之间的压差小，采用串联密封型，泄漏量可以得到有效控制。在用第二级干燥气体密封端面后，缓冲气体的泄漏也可以得到有效控制[4]。

气体动力学研究表明，当通过间隙的气流层最稳定时，干气密封的两个密封面之间的间隙为2-3微米。所以，干气密封膜厚度设计值一般选择2-3微米[5]。 当气体静压力和弹簧力的闭合力等于气膜反应力时，膜厚度非常稳定。

参考文献：

[1] 彭旭东， 江锦波， 白少先等. 中低压干气密封螺旋槽结构参数  优化[J]. 化工学报， 2014， 65（11）：4536-4542.

[2] 蒋小文， 顾伯勤. 螺旋槽干气密封端面气膜特性[J]. 化工学报， 2005， 56（8）：1419-1425.

[3] 黄文斌. 富气压缩机干气密封的改造与应用[J]. 石油化工设备技术， 2002， 23（4）：53-55.

[4] 周卫. 双端面干气密封在富气压缩机上的应用[J]. 流体机械， 2002， 31（3）：52-53.

[5] 王超. 循环压缩机干气密封的改造与应用[J]. 石油化工设备技术， 2001， 22（3）：59-61.