低速非接觸式機械密封發(fā)展現狀研究
針對低速工況氣體密封研究較少而實(shí)際生產(chǎn)中又迫切需要開(kāi)發(fā)的現狀，該文將低速非接觸式機械密封分成低速液膜非接觸式和低速氣膜非接觸式兩大類(lèi)進(jìn)行了討論。文中分別從研究現狀、端面結構、工作原理等幾個(gè)方面對兩類(lèi)密封進(jìn)行了對比分析，簡(jiǎn)要給出了其各自適宜的應用場(chǎng)合，以期使廣大從事機械密封的工作人員對這兩類(lèi)密封有較全面的了解，并對設計和選型有一定的幫助。
引言
非接觸式機械密封指由于流體靜壓或動(dòng)壓作用，在密封端面間充滿(mǎn)一層完整的流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的機械密封。非接觸式機械密封的密封原理及特點(diǎn)決定了此類(lèi)密封多在高速時(shí)動(dòng)壓效果穩定，在低速時(shí)由于動(dòng)壓不足，密封端面接觸概率增加，影響密封穩定性。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展及人們環(huán)保意識的增強，使得在一些低速設備中需要達到比較好的密封效果，人們對低速(<500r/m)運轉機械的密封穩定性要求提高，能將實(shí)現零泄漏、零逸出的非接觸式密封用于低速工況逐漸成為研究熱點(diǎn)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)發(fā)布本文旨在研究低速工況下非接觸式密封研究的發(fā)展現狀，重點(diǎn)介紹了低速液膜和低速氣膜非接觸式機械密封。以期對在低速時(shí)如何選擇非接觸式密封提供工程借鑒。
1、低速液膜非接觸式機械密封
液膜密封一般指全液膜潤滑非接觸式機械密封，可減少或消除被密封介質(zhì)的泄漏，同時(shí)可改善密封端面的潤滑狀況和操作穩定性。低速液膜非接觸式機械密封包括深槽液膜低速和淺槽液膜低速非接觸式機械密封。
1.1、深槽液膜低速密封
端面開(kāi)深槽是指在機械密封端面上開(kāi)深度達到毫米量級的各種形式的槽，利用流體靜壓效應和流體動(dòng)壓效應改善密封面的潤滑狀況。其常見(jiàn)的結構形式如圖1所示。
圖1 深槽密封的端面結構
對機械密封端面開(kāi)深槽的研究始于1961 年，Mayer首先對端面具有徑向深槽的機械密封進(jìn)行了研究，此后許多學(xué)者針對開(kāi)深槽機械密封的理論及應用進(jìn)行了深入研究， 證明了具有圓弧深槽非接觸式機械密封具有良好的密封性能。由于圓弧深槽能吸收液體，因而密封環(huán)邊緣得到良好冷卻，增加了端面靜壓力，使密封對動(dòng)壓波動(dòng)敏感性降低，有利于密封的穩定工作；當轉速較低、壓力較高時(shí)，深槽形密封較淺槽形密封有良好的密封性能。1986 年國內學(xué)者關(guān)雅賢、李松虎等對圓弧深槽機械密封進(jìn)行了試驗研究。自此，許多學(xué)者針對圓弧深槽進(jìn)行了深入的理論及實(shí)驗研究， 證明了深槽密封特別是圓弧深槽密封具有良好的密封性能。但目前在國內這種類(lèi)型的機械密封設計和生產(chǎn)能力也十分有限， 許多高參數機械密封產(chǎn)品仍然需要從國外進(jìn)口。
深槽密封機理屬于彈流理論范疇， 一般用于液體密封。槽深一般為1~2mm 左右，當密封處于靜止時(shí)，未開(kāi)槽區域接觸以實(shí)現接觸密封；啟動(dòng)運行后，由于力變形和熱變形的作用，使密封端面在周向形成波度，徑向形成錐度。沿周向的粘性流動(dòng)交替的經(jīng)歷收斂區和發(fā)散區，徑向錐度利用流體靜壓效應，產(chǎn)生附加的流體靜壓承載能力，使得開(kāi)啟力增大。周向波度能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應，徑向錐度能夠產(chǎn)生流體靜壓效應，從而顯著(zhù)提高密封端面間的液膜承載能力、降低端面摩擦系數。由于深槽能吸附液體，使密封環(huán)外緣得到良好的冷卻，還具有排除雜質(zhì)的能力并且和轉向無(wú)關(guān)，因而端面開(kāi)深槽的機械密封其性能較好， 彌補了普通淺槽非接觸式密封不能勝任的低速高壓、高溫及大尺寸場(chǎng)合，很適合用來(lái)密封低粘度、高參數的介質(zhì)。
1.2、淺槽液膜低速密封
淺槽液膜低速非接觸式機械密封主要指上游泵送式機械密封， 其中以中間開(kāi)槽式上游泵送低速密封性能最優(yōu)。零逸出上游泵送機械密封可以有效地解決介質(zhì)易汽化的密封工況問(wèn)題。
上游泵送密封也是一種淺槽密封用于密封液體時(shí)的非接觸式機械密封，其端面流體動(dòng)壓槽把由高壓側泄漏至低壓側的被密封液體重新反輸至高壓側，以消除密封介質(zhì)由高壓側向低壓側的泄漏。如圖2 所示，在內外徑壓力差的作用下，高壓密封液體產(chǎn)生由外徑上游側指向內徑下游側的壓差流Qp，而端面螺旋槽流體動(dòng)壓效應所產(chǎn)生的粘性剪切流Qs由內徑下游側指向外徑上游側，與壓差流Qp的方向相反，實(shí)現上游泵送功能。由于上游泵送密封為淺槽形密封， 其動(dòng)壓效應亦與轉速有密切關(guān)系， 在高速時(shí)易形成穩定的氣膜動(dòng)壓來(lái)支撐兩端面的分離然而由于其槽位于內徑處，一方面由于槽壩較寬，較易形成有效阻隔進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)壓；另一方面由于其位于低壓側， 往高壓側的泵送效應使得動(dòng)壓效應更易形成。從而使得上游泵送密封低速時(shí)仍具有較好的動(dòng)壓穩定性， 相關(guān)實(shí)驗也證明上游泵送密封用于中低速密封時(shí)具有較強的抗干擾能力。
圖2 上游泵送密封工作原理
2、低速氣膜非接觸式機械密封
氣膜密封是一種新型的、依靠微米級的氣體薄膜潤滑的非接觸式機械密封， 目前工程上廣泛稱(chēng)之為干氣密封(dry gas seal)。干氣密封可分為動(dòng)壓型干氣密封和靜壓型干氣密封兩大類(lèi)。
2.1、動(dòng)壓型干氣密封
動(dòng)壓型干氣密封的概念是20 世紀60 年代末在氣體潤滑軸承的基礎上發(fā)展起來(lái)的， 其中以螺旋槽密封最為典型，如圖3 所示。第一個(gè)干氣密封的專(zhuān)利1968年在英國出現，1976 年首次工業(yè)應用，1983 年開(kāi)始推廣應用。由于受密封件主軸轉速的影響，動(dòng)壓型干氣密封主要應用于高速場(chǎng)合， 隨著(zhù)對干氣密封的理論研究不斷的深入，人們逐漸擴大了干氣密封的應用范圍。20 世紀90 年代，國外開(kāi)始在中低轉速旋轉機械如離心泵、攪拌釜中應用干氣密封技術(shù)。在低速運轉的條件下，干氣密封的氣膜厚度相對來(lái)說(shuō)較薄，由此引發(fā)了在氣體潤滑密封中的氣體稀薄效應。自20 世紀50 年代Burgdorfer開(kāi)始對氣體稀薄效應研究以來(lái)，Hisa、Domoto、Gans、Fukui、Kaneko、Mitsuya等學(xué)者進(jìn)行了深入研究，在理論上取得了較大成果。
圖3 典型動(dòng)壓型干氣密封螺旋槽結構
目前， 國內外在低速干氣密封方面的研究相對較少，G.G.Pecht 和J.P.Netzel針對低速干氣密封中開(kāi)啟困難和較大的軸向竄動(dòng)提出了解決的方法， 并做實(shí)驗進(jìn)行驗證， 證明了干氣密封在低速旋轉機器中應用的可行性。Ruan采用F-K 潤滑模型，針對螺旋槽氣體潤滑密封在低速工況下的性能進(jìn)行了分析。結果表明在低速(<500r/min)及低壓(<0.303MPa)的情況下，稀薄氣體效應對密封的開(kāi)啟速度、泄漏量、氣膜剛度及密封的操作特性都有一定的影響。在國內，1994 年吳宗祥、郝木明等以最大剛漏比為準則進(jìn)行槽型優(yōu)化，設計出一種適用于低速條件下的圓弧槽和直線(xiàn)槽密封環(huán)結構。1998 年，胡丹梅[32]等采用實(shí)驗的方法對低速運轉工況下的直線(xiàn)槽密封進(jìn)行了參數優(yōu)化， 總結出了一些實(shí)現端面非接觸德定運轉的必要條件，并于2005 年開(kāi)發(fā)出了一種適用于低速工況的直線(xiàn)槽氣體端面密封。張岳林、白少先等提出一種變深T 型槽干氣密封端面結構， 較等深T 型槽在低速時(shí)具有更高氣膜承載能力和穩定性；黃莉、彭旭東等對普通螺旋槽進(jìn)行了改進(jìn)，得到的雁形螺旋槽(GS-DGS)在低速場(chǎng)合具有較好的穩定性。2005 年，趙越、宋鵬云等通過(guò)分析對比，得出在研究氣體密封低速運轉時(shí)，需考慮滑移流的影響，并行了相關(guān)仿真研究。2006 年，尹曉妮、彭旭東應用有限元法再次證明了在低速和低壓條件下， 密封的端面開(kāi)啟力、氣膜剛度和泄漏量均受到滑移流的顯著(zhù)影響。2011 年，丁雪興等通過(guò)數值仿真和實(shí)驗對比表明：在低速、低壓工況下，采用二階非線(xiàn)性滑移邊界條件下的氣膜剛度數值比一階線(xiàn)性滑移邊界條件下的氣膜剛度數值更接近試驗數值。同時(shí)，最近的研究表明，對干氣密封低速運轉密封性能影響較大的因素還有： 端面波度幅值、表面粗糙度、熱變形、端面錐度和靜態(tài)靜環(huán)角偏差。
2.2、靜壓型干氣密封
靜壓氣體潤滑機械密封是一種新型的非接觸機械密封，如圖4 所示，圖4a 為靜壓干氣密封結構圖。圖4b為密封端面槽形圖。其主要結構是在密封環(huán)上加工有提供氣體的通道， 由外部氣源或由內部氣源提供流體靜壓力， 當端面間氣體靜壓力形成的開(kāi)啟力與彈性元件和介質(zhì)形成的閉合力相等時(shí)可以實(shí)現端面的非接觸。由此可見(jiàn)，這種機械密封性能與轉速的關(guān)系不大，同時(shí)還具有雙向旋轉能力，所以非常適用于低速、間斷運行或需要雙向轉換運行的機械。
圖4 靜壓干氣密封工作原理
靜壓型干氣密封的基礎理論主要來(lái)源于靜壓氣體潤滑軸承理論。根據靜壓氣體提供的方式，主要分為自加壓式靜壓氣體潤滑機械密封和外加壓式靜壓氣體潤滑機械密封。靜壓氣體潤滑軸承理論的起源要追溯到20 世紀80 年代，Tadashi Koga等在1984 年研究了外部氣源供氣流體靜壓非接觸式機械密封性能以及其在極限工況下的應用， 并對端面的開(kāi)啟力以及力的平衡做了詳細的分析計算。1990 年，劉墩等對當時(shí)靜壓氣體潤滑技術(shù)作了較全面的歸納和總結。近十年來(lái)，氣體靜壓軸承的理論和技術(shù)不斷深入， 出現了大量關(guān)于氣體靜壓軸承的文獻， 其中關(guān)于氣體靜壓止推軸承的文獻對靜壓型干氣密封技術(shù)能提供直接的借鑒作用。1998 年T.A.Stolarski 等研究了表面粗糙度、端面變形對靜壓氣體潤滑機械密封性能的影響， 并經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證。2000 年，日本學(xué)者Fujiwara S 和Fuse T根據實(shí)際的需要， 設計了一種結構新穎而簡(jiǎn)單的外加式靜壓氣體潤滑機械密封，進(jìn)一步提高了密封的效果和穩定性，并成功應用于低速攪拌反應釜上。
靜壓型干氣密封的主要優(yōu)點(diǎn)有：①不要求兩端面間構成收斂間隙和足夠的相對速度，其端面開(kāi)啟力、泄漏率、氣膜剛度和氣膜厚度都與轉速關(guān)系不大。②極好的氣膜剛度。通過(guò)供氣裝置和節流裝置可以實(shí)際上使得氣膜剛度無(wú)限大。③很低的摩擦系數。對于大型設備可以實(shí)現在氣膜潤滑條件下啟動(dòng)。以消除靜摩擦力的影響，減小啟動(dòng)力矩。由以上敘述可知，靜壓型干氣密封不受密封機組主軸轉速的影響，能在低轉速、低負載情況下剛度穩定運行。因此，像攪拌反應釜這類(lèi)低轉速的情況就可使用靜壓型干氣密封對其進(jìn)行密封。
3、磁流體密封
磁流體密封自20 世紀60 年代應用于航天領(lǐng)域以來(lái)， 由于其新穎的密封技術(shù)逐漸在工業(yè)上得到了廣泛的應用。
圖5 磁流體密封的結構原理圖
磁流體密封就是用永久磁鐵將磁流體固定在回轉軸的周?chē)?由于回轉軸與周?chē)墓潭g的空間很小，且該區的磁場(chǎng)強度也特別大，從而能承受較大的沿軸線(xiàn)方向的推力，達到密封的效果。如圖5 所示，當在磁流體裝置中加人適量的磁流體， 磁流體就會(huì )充滿(mǎn)整個(gè)環(huán)形間隙，形成一系列“O 形密封圈”，從而達到密封效果。由磁流體的密封原理可知其對轉速及轉向不敏感，彌補了許多動(dòng)壓密封效果不理想的低速場(chǎng)合，但一般來(lái)說(shuō)磁流體密封只適合于低壓場(chǎng)合， 當壓力超過(guò)2MPa 時(shí)實(shí)現密封較困難。相信隨著(zhù)各種新材料、新工藝的出現， 磁流體密封將會(huì )在更大范圍實(shí)現其特有的應用價(jià)值。
結語(yǔ)
隨著(zhù)工業(yè)化的發(fā)展及環(huán)保意識的提高， 性能優(yōu)良的非接觸式機械密封應用于低速工況成為發(fā)展趨勢。
(1)對于低轉速、密封介質(zhì)為液體工況時(shí)，可采用深槽密封或上游泵送密封， 前者良好的吸附液體和冷卻的能力彌補了普通淺槽非接觸式密封不能勝任的低速高壓、高溫及大尺寸場(chǎng)合；后者的上游泵送效應可以有效解決介質(zhì)易汽化的密封工況問(wèn)題，實(shí)現零泄漏。
(2)對于低轉速、密封介質(zhì)為氣體工況時(shí)，改進(jìn)后的動(dòng)壓干氣密封(變深T 型槽、雁形螺旋槽等)已被證明在低速時(shí)較普通動(dòng)壓干氣密封槽具有更好的動(dòng)壓效果；靜壓干氣密封通過(guò)外部氣源實(shí)現非接觸式密封，對轉速及轉向無(wú)要求，在低速、低負載工況時(shí)性能最優(yōu)。
(3)磁流體密封由于其獨特的密封原理，對轉速不敏感，在低速、承載壓力不大(<2MPa)時(shí)選擇較合適。
