www.4699.com

当前位置: www.4699.com > www.4699.com >
负气流的大部门能量为热量而散失掉
时间:2019-09-06

  第六章 非接触式密封 Non-Contacting Seals 1 Main Content ? ? ? 浮环密封 迷宫密封 干气密封 2 非接触式密封 ? 非接触式密封是通过正在被密封的流体中发生压 降来达到密封,且容许有必然的间隙发生最小 的泄露量,不影响系统中活动件的扭转活动。 正在非接触式密封中没有密封取活动件之间的摩 擦,因而没有磨损。 非接触式密封布局简单、耐用、运转靠得住的显 著特点,几乎能够不消维修调养。 非接触式密封次要有浮环密封、迷宫密封、 螺旋密封和干气密封等。 3 ? ? ? 正在中、高压离心压气机中可供选择的密 封体例有:机械密封、迷宫密封和填料 密封。但因为气体的散热和润滑前提不 如液体,所以填料密封只要小型、低速 才用,而机械密封正在周速大于40m/s、 温度高于200℃当前也很难顺应。只要迷 宫密封和浮环密封是最常用的两种体例。 4 6.1 浮环密封 一 浮环密封 –间隙密封 浮动环密封简称浮环密 封,用于离心压缩机、氢冷 汽轮发电机、离心泵等轴封。 某些泵类,例如汽锅给水泵、 化学工业用泵以及原子能工 业用泵等,其吸入压力较高, 只要采用浮环密封来降压或 节省,才能使泄露降至答应 范畴内,若是需要做到不漏, 可再取其他密封相组合,以 获得对劲的结果。 5 二 浮环密封的优、错误谬误 ? ? ? ? ? ? 密封布局简单,只要几个外形简单的环、销、弹簧 等零件的组合,比机械密封的零件少。 对机械的运转形态并不,有不变的密封机能。 密封件不发生磨损,密封靠得住,简单,检修方 便。 因密封件材料为金属,故耐高温。 浮环能够多个并列利用,构成多层浮动环,能无效 地密封10MPa以上的高压。 能用于10000一20000r/min高速扭转液体机械,尤 其合用于气体压缩机,其许用速度高达100m/s以 上,这是其他密封所不克不及对比的。 6 ? 只需采用耐侵蚀金属材料或里衬耐侵蚀的非金 属材料(如石墨)做浮动环,就可用于强侵蚀介 质的密封。 因密封间隙中是液膜,所以摩擦功率极小,使 机械有较高的效率。 ? 浮环密封的错误谬误:密封件的制制精度要求高,环 的不齐心度、端面不垂曲度和概况粗拙度对密 封机能有较着的影响。此外,该密封对流体不 能做到封密不漏。对气体虽然可做到封严,但 需要一套复杂而高贵的从动化供油系统。 7 三 浮环密封机理 ? 浮环密封属于流阻型非接触式动密封, 是依托密封间隙内的液体阻力效应而达 到阻漏目标。因为存正在间隙,避免了固 体摩擦,合用于高速环境,既可封堵液 体,也可封堵气体,但泄露量较大,某 些环境下还需设置装备摆设比力复杂的密封辅帮 系统。 8 如图所示浮动环密封示企图。套于轴上的圆环,其内概况取 轴之间存正在必然间隙,轴不扭转时环下垂,内概况取轴沿环 的宽度呈线接触而构成新月形间隙,图 (a)。当轴扭转时, 带动间隙中的液体进入楔形间隙,构成一层强无力的液体膜, 环受液体动压感化而上浮,并逐步趋势轴心。当这一动压做 用力取环的沉力等外载荷达到均衡时,环取轴将连结必然的 偏疼距e,如图 (b)。 9 四 浮环密封的典型布局 浮环密封布局分为剖分型和全体型两类: 1 剖分型浮环密封 剖分型浮环密封雷同于径向滑动轴承, 密封环及密封腔壳体均为剖分式,安拆维 修便利。 剖分式浮环密封普遍使用于氢冷汽轮发 电机轴端密封,压力一般正在0.2MPa以下, 其典型布局有: 10 ?单流浮环密封: 密封液进入环隙 后分两流向氢气侧 和空气侧。此类密封 间隙大,氢气侧为 0.15-0.2mm,空气侧 为0.2-0.35mm,耗油 量大,进入氢气侧的 油流会挟带空气并吸 入氢气,需要复杂的 线 全体型浮环密封 全体型浮环密封的密封环为全体,可用 于高压,其典型的布局有以下两种:带冷 却孔浮环密封和L型浮环密封。 ? 带冷却孔浮环密封:大气为低压侧,被密封气体 为高压侧。高压侧浮环沿周向布满冷却孔,使进 入密封腔的冷流体起首通过高压侧浮环,然后分 两别离进入高压侧和低压侧环隙,如许就能对 高压侧浮环起到冷却感化。该是使用于离心压缩 机的典型内冷浮环密封布局,合用于线m /s以上的中低压场所。 12 ? L型浮环密封: L型浮环取L型固定环的安拆 互相嵌入,防止浮环动弹的销钉设正在径 向,以缩短密封的轴向尺寸,布局紧凑。 13 五 浮环密封设想步调 ? ? ? ? ? 按照工做前提选择布局形式 计较浮动力、摩擦力 计较并校核相对偏疼度 计较泄露量 计较摩擦功耗 6.2 迷宫密封 一 迷宫密封 迷宫密封是正在转轴四周设若干个顺次陈列 的环形密封齿,齿取齿之间构成一系列节省间 隙取膨缩空腔,被密封介质正在通过盘曲迷宫的 间隙时发生节省效应而达到阻漏目标。 因为迷宫密封的转子和机壳间存正在间隙, 无固体接触.无需润滑,并答应有热膨缩,适 应高温、高压、高扭转频次的场所。这种密封 型式被普遍用于汽轮机、燃气轮机、压缩机、 鼓风机的轴端和级间的密封,或其他动密封的 前置密封。 15 二 迷宫密封的机理 1 密封过程 因为正在转轴的四周顺次陈列着很多环形密封齿,当气体颠末每 一个密封齿时,气流经间隙高速进入环形空腔后,俄然膨缩而 发生强烈的漩涡,负气流的大部门能量为热量而散失掉, 使焓值恢复到接近于间隙前的值,只要小部门动能仍以余速进 入下一个间隙,一级一级地反复上述过程。这时气体压力逐级 下降,从而达到密封的结果。为尽量负气流的动能为热能, 而不以余速进入下一个间隙,密封齿要做得尽量薄,并带锐角; 齿取齿之间连结脚够的距离;或用凹凸齿强制改变气流标的目的 。 continue 16 “迷宫效应”——流体通过迷宫发生阻力并 使其流量减小的机能称为“迷宫效应”。 ? 对液体,有流体力学效应,此中包罗水力 摩阻效应、流束收缩效应; ? 对气体, 还有热力学效应,即气体正在迷宫中 因压缩或者膨缩而发生的热转换; 17 (1)摩阻效应 ? 泄露液流正在迷宫中流动时,因液体粘性而 发生摩擦,使流速减慢,流量(泄露量)削减。 简单来说,流体沿流道的沿程摩阻和局部 摩阻形成了摩阻效应,前者取通道的长度 和截面外形相关,后者取迷宫的弯曲数和 几何外形相关。一般是:当流道长、拐弯 急、齿顶尖时,阻力大。压差丧失显著, 泄露量减小。 18 (2) 流束收缩效应 ? 因为流体通过迷宫缝口,会因惯性的影响而产 生收缩,流束的截面变小(如图)。设孔口面积为 A,则收缩后的流束最小面积为CcA,Cc是收缩 系数。同时气体通过孔口后的速度也有变化。 设正在抱负形态下的流速 为u1,现实流速比u1小, 令Cd为速度系数,则实 际流速u’= Cd u1;于是通 过孔口的流量等于Q= CdCc Au1。 19 (3)热力学效应 ? 如图所示为抱负的迷宫流道模子。它是由一个个环形齿 隙和齿间空腔而成。气体每通过一个齿隙和齿间空 腔的流动可描述如下:正在间隙入口处气体形态为p0,T0 和零速起头,气体愈接近入口,气流愈加收缩和加快, 正在间隙最小处的后面不远处,气流获得最大的速度;当 进入空腔,流束截面俄然扩大,并正在空腔内构成强烈的 旋涡。从能量概念来看,正在间隙前后,气流的压力能转 变为动能。到空腔后,有一小部门动能又改变为压力能 (因为速度降低的来由),稍许提高了压力。但因卷成强 烈的旋涡,大部门动能都改变为热能而耗损。这即是热 力学效应。 20 ? 因而,总压头老是下降的,能量散损愈多,压 头下降愈多,泄露量也随之降低,以达到 泄露的目标。图中暗示气流每经一个齿隙和一 个空腔,压力就下降一次,从p0下降到p1…… 21 三 迷宫密封的布局型式 ? 迷宫密封的布局型式良多,使用也很广。图 中所示为几种根基布局型式的迷宫密封 。 22 四 迷宫特征的影响要素 次要的影响要素包罗: 1)齿的影响。按照国外所进行的试验得出: 齿距必然时:齿数越多,泄露量越少。齿距 改变时,齿距越大,泄露量会急骤下降。 齿正在分歧的安放角动形态是分歧的。当 间隙不异时,齿尖前倾时介质流束收缩最大, 即密封性越好。前倾角正在40o—50o范畴内密 封结果最佳,泄露量要比曲立齿削减12%左 左。 ? 23 ? 2)膨缩室的影响。国外对膨缩室深度的影响 进行过试验研究。结论是浅的膨缩室对削减 泄露量有益(如图)。 深度正在跨越5-10mm的 范畴当前,迷宫相关系 数几乎成为。就是 说,深迷宫并不克不及提高 迷宫的密封性。 ?是节省间隙 s是齿片间隙 l是压力比 24 五 迷宫密封片材料和间隙 ? ? 为了使迷宫密封具有优良的结果,除叶轮轮盖密封 片数较少(4-6)外,正在一般密封布局中应不少于6, 一般为7-12,但也不宜过多,过多的齿将拥有较长 的轴向尺寸,并且对于泄露量的进一步降低感化不 大,密封片数一般不跨越35片。 迷宫密封的最小径向间隙s一般可取0.4mm摆布, 也可按下式计较: D:是密封曲径 25 ? 密封片能够用厚0.15-0.2mm的金属带制成。 能够采用黄铜或镍,用红铜丝梯形槽敛缝。 有时能够间接做正在轴套上,而外衣用石墨 制成,间隙为滑动轴承的0.17-0.25倍。 ? 准绳上迷宫密封材料配对该当是一硬一软: 若是采用了硬梳齿(全体制制),则采用软材 料衬套;若是用了拆卸的软材料密封片, 则采用硬材料衬套,免得摩擦生热或发生 火花惹起烧损或爆炸。 26 六 迷宫密封的类型及用处 27 七 迷宫密封设想的留意要点 1)尽量负气流的动能为热能,而不使余速进入下一 个间隙。齿取齿之间应连结恰当的距离.或用高-低齿强 制改变气流标的目的,齿间距一般为5—9mm。 2)密封齿要做得尽量薄,并带锐角。齿尖厚度应小于 0.5mm,运转中偶尔取轴相碰时,齿尖先磨损而离开 接触.不致因摩擦呈现轴的局部过热而形成变乱。 3)因为迷官密封泄露量大,因而正在密封易燃、易爆或有毒 气体时,要留意防止污染。采用充气式迷宫密封, 间隙内引入惰性气体。其压力稍大于被密封气体压力; 若是介质不答应混入空气,则可采用抽气式迷宫密封。 28 八 迷宫密封泄露量计较 6.3 干气密封 ? 一. 干气密封样机 二.干气密封的工做道理、特点 及使用 近年来,跟着密封手艺的不竭成长和完美,出 现了一种称之为干式气体密封的新型轴封,处理 了多年来机械密封一曲不克不及干运转的难题。这种 密封采用气体做为密封介质,操纵流体的动力学 道理,通过正在密封面上开设动压槽而实现密封端 面的非接触运转。 相对于保守的接触式机械密封,这类密封具有 以下长处:运转无磨损,功耗小;泄露量小,可 实现零泄露或者零逸出。 越来越多的泵、 压缩机、膨缩机和气体透平 机等旋起色械采用了此类密封。 ? 干气密封布局次要由加载弹簧、O 形圈 、静环以及动环构成。静环正在弹簧等载荷 的感化下,可沿轴向挪动。动环(螺旋 状沟槽)依托轴套固定正在扭转轴上并随轴旋 转。 缓冲气体注入到密封拆 置, 当动环扭转时将被 密封气体周向吸入槽内 ,因为遭到密封堰的阻 碍,气体做减速流动并 被逐步压缩。正在此过程 中,气体的压力升高, 即发生了流体动压力。 当压力达到必然数值时 ,静环将从动环概况被 推开,如许密封面之间 一直连结一层 极薄的气 膜( 3~5μ m)。同时 ,密封面间极小的气膜 间隙节制泄露到最低的 程度。 三.干气密封的环节手艺问题 1. 动压效应 动压槽的外形及其尺寸 ? 2. 微标准流体力学 滑移鸿沟前提的使用 ? 3. 系统不变性阐发及节制 ? 4. 高压、高温热力耦合下的密封环变形问题 ? 四.干气密封的机能和布局参数 ? ? ? ? ? ? ? ? 泄露量 摩擦功耗 气膜刚度 螺旋角β 槽深比η 槽数n 槽台宽比λ1 槽长坝长比λ2 五.典型布局类型 ? 单端面密封布局 次要用于中、低压前提下,答应少量工艺气体泄露到 大气中的场所,一般用于无毒气体,如 N2、CO2和 空气等。其运转的极限前提为:密封压力 2.76MPa,温度 260℃,线m/s。 ? 式干气密封 式干气密封可用于高压烃类气体场所,其 运转的极限前提为:密封压力8.27MPa,温度 260℃,线m/s。 ? 双端面密封 双端面密封次要用于有毒、易燃易爆的 气体场所以及不答应有污染的食物加工和 医药加工过程 。 六.力学模子取受力阐发 ? (1)压缩机正在遏制运转时 六.力学模子取受力阐发 ? (2)正在一般运转前提下 六.力学模子取受力阐发 ? (3)当遭到外来干扰时 七.螺旋槽干气密封流场计较 ? 1.密封间隙内气膜流动形态 (1)层流取紊流 雷诺数是表征流体流动特征的一个主要参数,暗示的 为流体流动的惯性力和粘性力之比。 若是粗拙面较为粗拙,出格当密封面开槽时,正在雷诺 数小于临界雷诺数500-1000时,流动很快变成紊流。 对于雷诺数做如下估量:对轴径的要求,取其上限值 120mm,密度1.0㎏/m3,粘度1.86×10-5Pa·s,间隙3μ m ,当转速别离为10000 r/ min 和100000r/min时,响应的 雷诺数别离为10和100。所以气体的流动为层流,可忽略 惯性力的影响。 1.密封间隙内气膜流动形态 ? (2)流取粘性流 因为正在螺旋槽干气密封摩擦副之间的气体润滑膜相当 薄,只要微米级,因而正在研究气膜的流动特征时,需要判 别其能否合适持续介质假设前提。为此,引入一个确定连 续介质假设合用范畴的判据。此判据就是克努森原则( Knuden)。 克努森原则的定义是:气体平均程取所研究 问题中物体的特征尺寸之比,即:Kn= l / h 当Kn<0.01时,流动为粘性流 ; 当Kn>1时,流动为流 ; 当0.01<Kn<1时,气体流动处于过渡流区域 。 空气的平均程为0.069μm, 气膜厚度凡是为3~5μm, 因此空气正在干气密封流动为过渡流。 2.干气密封气膜流场的计较方式 ? (1)专业软件计较法(CFD) CFD数值模仿本色是把描述流体活动的持续介质数学 模子离散为大型代数方程组,成立能够正在计较机上求解的 算法,从而获得问题所需的解。次要的数值方式有:无限 差分法、无限元法和鸿沟元法,近年来无限体积法亦成为 一种被普遍采用的数值方式。 求解思: ? 确定流动模子:层流或湍流; ? 选择计较模子和确定鸿沟前提; ? 成立几何模子划分网格; ? 选择求解方式; ? 输出成果处置取阐发。 2.干气密封气膜流场的计较方式 (2) C言语编程计较法 求解思: ? 成立流体动力学模子; ? 成立流动数学模子(节制方程和鸿沟前提); ? ? ? ? ? 操纵差分法或无限元法将偏微分方程化为线性方 程组; 确定编程计较流程框图; 根据流程框牟利用C言语编程计较; 输出成果处置取阐发 。 2.干气密封气膜流场的计较方式 ? ? ? (3)近似解析法 近似解析法求解流场的边值问题,其求解思 为: 成立非线性偏微分雷诺方程; 使用PH线性化方式,将非线性偏微分雷诺方程转 化为线性偏微分方程; 引入复函数分手变量将线性偏微分方程变为两个 线性实微分方程组; 采用小参数迭代法求解线性实微分方程; 近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解。 ? ? ? 3.基于CFD的螺旋槽干气密封流场计较 ? 层流模子 1 ? ph3 ?p ? rph3 ?p ?( ph) ( )? ( ) ? 6?r r ?? ? r?? ?r ? ?r r?? ? 几何模子 3.基于CFD的螺旋槽干气密封流场计较 ? 压力分布 4. 螺旋槽干气密封流场的近似解析法 ? (1)纲柱坐标雷诺方程及鸿沟前提 ? ? ? 3 ?P ? ? PH ?? ? ? ?? ?? ? ? ? ?( PH ) 3 ?P ? ? PH ?? ? ? ? ?? ? ? P? R ? ? ?? 0 ? 0 ? Ri ? ? ? ? ? P?? ?1? ? 1 ? P0 ? p0 pi (2)PH线性化方式 ? P? H 令: ?? ?? ? ?? ?? PH线 )?? ? ? (? 1 )? ? H?? ? H?? ? ?H ? ?PH 响应鸿沟前提 : ? 1(? ?1) (? ?1) 1(? ?? 0) 0 4.螺旋槽干气密封流场的近似解析法 ? (3)引入复函数分手变量 ? ? ? fn (? )e?i? fn(? ) ? ?1(? ) ??2(? )i 边值问题的解具有下列形式: 为此研究复函数边值问题: ?? ? ? ??? ? ??? ? ??? ? ??? ?? f n??? 2i ? 0 f n? ? (n 2 ? ? 0 2 ? n? i ) f n ? n ? i fn(1) ? 0 ? ?1??? (n2 ? ?02 )?1 ? ?2?0?2 ? n??2 fn(? 0 ) ? A ? Bi ?? ? ?2 ? (n2 ? ?02 )?2 ? ?2?0?1 ? n??1 ? n? 4.螺旋槽干气密封流场的近似解析法 ? (4)迭代法求解 其近似解为: 10 ?1(? ) ? ?10 ??11? ??12? 2 ?? ?2(? ) ? ?20 ??21? ??22? 2 ?? ?? ?20 ? ?1?20 ? 0 零次近似: ??? ? ? ? ? 0 ? ?10 ? c10e ? ? ? c10e? ? ? ? ? c e ? ? ? c? e ? ? 解得: 一次近似: ??? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? A B 解得: ? ? c e ? c? e ? ?e ? ?e 1 10 1 1 1 ? 1 20 20 20 11 1 11 1 20 2 20 21 1 21 1 10 2 10 ? ?2 ?1? ? ?1? 1 ?1? 1 ? ?1? 11 11 11 2 ?1 2 ?1 ?21 ? c21e ?1? ? ? c21e? ?1? ? A2 2 ?1 ?e ?1? ? B2 2 ?1 ? e? ?1? ? ?2 ?1 4.螺旋槽干气密封流场的近似解析法 ? (5)动压近似解析式及其实例计较 动压二级近似解析式: P? ?2 H ? 1? ? (?1(? ) cos ? ? ?2(? ) sin ? ) H ? 3 ? 0? 2?2(? ) (? 0 ? ? ) 2 实例计较:分歧间隙下气膜的压力分布 60 50 3.05μ m 4.05μ m 2.05μ m 40 ? 30 20 10 0 1.00 1.05 1.10 1.15 ? 1.20 1.25 1.30 1.35 八.干气密封螺旋槽形参数协调优化 ? 1. 多方针协调函数-刚漏比的解析式 T? ?0 F ? ?P ? ? ?12? ? Pd? 1.06?? 0 ? ? 1 Q ? ?? ?? ?1 ? 2. 协调优化法式的使用 螺旋槽干气密封样机布局参数及不变工况下的操做参 数如下:密封环内半径Ri=26.75mm,外半径R0=39.75mm, 螺旋槽数n=12,转速nr=1450rpm,气体粘度粘度 μ=1.55×10-5 Pa?s,内径处压力pi=0.1013MPa,外径 处介质压力p0=0.8MPa。 八.干气密封螺旋槽形参数协调优化 ? 2. 协调优化法式的使用 通过软件Maple的近似计较,获得了刚漏比T取螺旋角α、 槽深比η的三维关系曲面图 八.干气密封螺旋槽形参数协调优化 为了切确获得其最佳值,又别离获得了刚漏比T取螺旋 角α、刚漏比T取槽深比η的二维关系图。 从图 中可知:刚漏比T最大时最佳的螺旋角αopt=1.2834 弧度=73.53°;最佳的槽深比ηopt=0.7。 九.干气密封结业设想内容 ? 1.用Maple软件进行参数优化 ? 2.动、静环布局设想 ? 3.用CFD进行内均衡计较和密封机能校核 ? 4.弹性元件的设想及校核 ? 5.完美布局设想,用CAD绘拆卸图、零件图 ? 6.完成设想仿单 ? 7.翻译干气密封英文文献