現(xiàn)代密封技術(shù)概述

許振石 樊 軍

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊830008)

1 引言

密封技術(shù)是一門結(jié)合多個學(xué)科應(yīng)用的綜合技術(shù),具體涉及了與流體力學(xué)、材料力學(xué)和彈性力學(xué)、摩擦學(xué)、化學(xué)、物理化學(xué)以及熱力學(xué)等學(xué)科。

密封技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能發(fā)電等高新技術(shù)領(lǐng)域,以及石油、化工等國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè),如火箭的液氧透平泵、核能發(fā)電站中的主冷泵、高壓聚乙烯的高壓壓縮機(jī)和聚丙烯的反應(yīng)釜等許多機(jī)器設(shè)備的方案就取決于密封技術(shù)。密封技術(shù)雖然不是領(lǐng)先性技術(shù),但往往卻是決定性關(guān)鍵技術(shù),它決定了機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和耐久性[1]。

密封技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)發(fā)展的要求,某些場合泄漏問題還沒有解決,所以密封技術(shù)有待進(jìn)一步深入研究。本文主要對幾種新型密封技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行介紹,為我國密封技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用做一定鋪墊作用。

2 磁流體密封[2-7]

磁流體,或稱鐵磁流體,是一種對磁場敏感又可流動的由直徑約為10 μ m的納米級鐵磁性或亞鐵磁性固體微粒在特定的表面活性劑的作用下均勻高度彌散到基載液(水、機(jī)油)中而成的一種高穩(wěn)定性固液相混的膠體溶液,即使在重力場、磁場作用下也能長期穩(wěn)定的存在,不產(chǎn)生沉淀和分離。

磁性液體密封是一種以磁性液體為功能液體,并采用聚磁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非均勻磁場分布,將磁性液體約束在密封間隙中而實現(xiàn)密封目的的液體密封形式。其密封原理如圖1(a,b)所示。它由兩個環(huán)形磁極和夾于磁極中間的環(huán)形永久磁鐵組成,磁板和旋轉(zhuǎn)軸都具有導(dǎo)磁性,通過永久磁鐵形成環(huán)形磁路,磁性流體在磁場中受到磁場力的作用形成油膜屏障,在無外力作用時,磁性流體將保持在磁場最強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)。在外力作用下,磁性流體的位置和形狀將發(fā)生變化,引起磁場力的變化,磁場力與外力相平衡,使磁性流體處于新的平衡狀態(tài),始終把磁流體保留在“O”密封間隙內(nèi),起到密封作用。

磁流體密封作為是近年來發(fā)展一門新興技術(shù),一種新型的、有獨特優(yōu)勢的密封方式。其主要包括：旋轉(zhuǎn)軸磁性液體密封、組合式磁性液體密封、端面磁性液體密封以及往復(fù)軸磁性液體密封等。其主要的特點是它的密封能力不依靠密封表面間的壓緊力,在密封表面之間存在相對運(yùn)動的情況下,它的摩擦力極小,僅表現(xiàn)為鐵磁性流體內(nèi)部的剪切應(yīng)力。磁性流體密封具有以下優(yōu)點：不可測量的泄漏率;高可靠性,使用壽命長達(dá)10年以上,具有自我恢復(fù)的能力;能承受高轉(zhuǎn)速,允許軸有一定的偏心度和徑向跳動;最佳的扭矩傳遞,無需加預(yù)緊力,避免了變形;低的黏性摩擦。

圖1 磁流體密封原理圖Fig.1 The magnetic fluid seal sketch

現(xiàn)階段磁流體密封裝置按用途主要分為防塵、真空、壓力密封。廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)發(fā)電機(jī),發(fā)酵罐的攪拌,半導(dǎo)體制造,真空蒸發(fā),質(zhì)譜儀,人工心臟,貯能飛輪等眾多領(lǐng)域。目前,磁流體的密封耐壓能力可達(dá)3.5 MPa,真空度達(dá)10.8托,極限轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。

3 干氣密封[8-12]

干氣密封,即干運(yùn)轉(zhuǎn)、氣體潤滑、非接觸式機(jī)械密封,采用“以氣封氣”或“以氣封液”的思想來實現(xiàn)工藝介質(zhì)的零泄漏。干氣密封的結(jié)構(gòu)示意圖[13]如圖2所示,主要元件有：靜環(huán)1、動環(huán)2、彈性元件(彈簧4)、輔助密封(O 形環(huán)8、9)、傳動件(傳動銷3或者傳動螺釘7)、防轉(zhuǎn)件(防轉(zhuǎn)銷10)、緊固件(彈簧座5、壓環(huán)12、壓蓋11和緊定螺釘6)與軸套13。

圖2 干氣密封的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The dry gas seal construction sketch

干氣密封基本工作原理在非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,干氣密封的動環(huán)和靜環(huán)的密封面靠彈簧的彈力貼合在一起。運(yùn)轉(zhuǎn)時隨著動環(huán)的旋轉(zhuǎn),由于其端面溝槽(如圖3)外深內(nèi)淺,且末端無通路,以及動環(huán)上密封堰的共同作用,生產(chǎn)泵吸效應(yīng),形成厚度約3～5 μ m的氣膜[14],該氣膜有一定的剛度,使得開啟力與端面閉合力相平衡,此時密封端面存在一個很小的間隙即保證泄漏量不至超標(biāo),又使動、靜環(huán)端面實現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 端面溝槽示意圖Fig.3 Face furrow sketch

實際應(yīng)用中,干氣密封主要有三種布置形式[15]：單端面密封結(jié)構(gòu)、串聯(lián)式密封結(jié)構(gòu)和雙端面密封結(jié)構(gòu)。

干氣密封最初是用在透平壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上,到目前為止,己在化工、煉油、化肥、乙烯、化纖、天然氣輸送等行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代國外開始在中低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械如離心泵、攪拌釜中采用干氣密封。

4 金屬蜂窩密封[17-20]

金屬蜂窩密封可以看是作一種復(fù)合式迷宮密封,金屬蜂窩密封是指將封嚴(yán)用的靜子外環(huán)制成由金屬薄片組成的正六邊形疏松多孔結(jié)構(gòu),利用其易磨合的特點,與轉(zhuǎn)子軸/轉(zhuǎn)子葉片/轉(zhuǎn)軸和葉片上的封嚴(yán)篦齒所形成的可接觸式的迷宮密封,普遍認(rèn)為蜂窩密封為粗糙的靜子密封環(huán)內(nèi)孔表面即可以降低流體的圓滾滾擊流動速度而減小密封的交叉剛度,從而達(dá)到抑制轉(zhuǎn)子振動的目的阻尼轉(zhuǎn)子件封嚴(yán)齒或不帶冠葉片在蜂窩芯上磨出的溝槽,相當(dāng)于又增加了一道參差型迷宮結(jié)構(gòu),達(dá)到良好密封效果。

蜂窩密封作為一種成熟的先進(jìn)密封技術(shù)已在石化,電力等行業(yè)內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。金屬蜂窩密封技術(shù)在國外許多先進(jìn)的航空燃?xì)廨啓C(jī)(如V2500,CFM56,PW200等)上得到了廣泛應(yīng)用。近年來,國內(nèi)一些在役和新研制的航空燃?xì)廨啓C(jī)也陸續(xù)采用該技術(shù)。以減少泄漏損失,提高了壓氣機(jī)或渦輪部件效率。

蜂窩密封結(jié)構(gòu)如圖4。蜂窩的芯尺寸為3.2 mm蜂窩孔深度為3.0 mm,蜂窩厚度為0.1 mm。蜂窩密封環(huán)內(nèi)徑為150 mm,寬度為50 mm。

圖4 蜂窩密封結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Honegcomb seal construction diagram

與傳統(tǒng)的梳齒密封相比,蜂窩密封最大的特點是可以最大限度地縮小密封間隙,而基本上不會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子件的磨損及與封嚴(yán)靜子件的干涉,易磨合;可以抑制密封流體激振,改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性,使轉(zhuǎn)子運(yùn)行平穩(wěn),具有一定厚度的蜂窩芯格本身就是一種細(xì)密的迷宮密封。

5 刷式密封[21-24]

刷式密封屬于接觸式密封。刷式密封的主要部件為刷絲,其為一束捆扎在一起的刷式密封的刷絲具有柔性,造成的軸表面磨損是很小,在軸轉(zhuǎn)動的瞬態(tài)徑向跳動和偏心運(yùn)動,靜偏心的條件下,仍能保持良好的密封效果,使得系統(tǒng)密封性能和壽命有了大幅度的提高,有效提高了系統(tǒng)的效率。

可以認(rèn)為,刷式密封在航空工業(yè)和民用工業(yè)上的應(yīng)用前景極其廣闊。在20世紀(jì)末以來,高溫和高相對滑動速度的刷式密封研究取得很大進(jìn)展,可以承受的轉(zhuǎn)子線速度己超過305 m/s,運(yùn)行溫度達(dá)690度。1995年,安裝于波音777的PW4084發(fā)動機(jī),在高壓壓氣機(jī)出口處的密封應(yīng)用刷式密封裝置后,使發(fā)動機(jī)的推力提高了2%,相應(yīng)的耗油率降低了約2%。

高密集度、按一定角度(30～60度)規(guī)則排列的的圓截面彈性細(xì)金屬絲,刷毛束的寬度一般為0.76 mm,其自由端與軸表面接,初始干涉大約為0.1 mm。初始干涉的作用是可以使由于制造誤差造成密封和軸中心線不重合時也能保持較好的密封效果。刷毛另一端與左右兩側(cè)的圓環(huán)連接成一個整體。與刷毛接觸的軸表明噴涂一層耐磨材料,以減少磨損,以減少刷毛的磨損。刷式密封的主要結(jié)構(gòu)如圖5參數(shù)一般為：刷絲角30～60度,常取40或45度,刷絲直徑0.05-0.07 mm;刷絲的初始干涉量0.05-0.15 mm;下游環(huán)保護(hù)高度為1.1-1.5 mm;刷絲束在軸圓周方向上的密集度90-180根/mm;刷絲束厚度一般不超過2 mm。

圖5 刷式密封的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Brush seat constraction diagram

6 密封技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計[25-27]

密封技術(shù)及其輔助系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程,是一個系統(tǒng)工程。該工程通過對已有知識的分析應(yīng)用(如密封組件的熱力學(xué)和動力學(xué)分析、端面摩擦狀態(tài)分析和流體靜動壓分析、系統(tǒng)的傳熱分析等),依據(jù)確定的設(shè)計計算原則(常選擇泄漏量為設(shè)計原則),運(yùn)用計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)。但目前CAD軟件僅僅是針對密封現(xiàn)有圖形和尺寸、使用材料等所建立的數(shù)據(jù)庫,或至多是針對某種或幾種介質(zhì)密封的專用設(shè)計軟件,并不能完成給定操作條件下密封的動力學(xué)、熱力非線性、液體質(zhì)相平衡和摩擦學(xué)分析以及對密封結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化計算。因此提高并完善現(xiàn)有CAD軟件的功能還需引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)和軟件,開發(fā)出包括型槽端面密封件的CAD系列軟件、新型密封設(shè)計方法和加工制造技術(shù)、密封的管理系統(tǒng)及密封故障診斷專家系統(tǒng)等的成套技術(shù),從整體上提高我國密封技術(shù)的可靠性、安全性和耐久性,實現(xiàn)同國際同類產(chǎn)品強(qiáng)的競爭力。

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