迷宮密封在蒸汽牽伸爐中的應用

李 峰，王學彩，唐有守

(河南永煤碳纖維有限公司，河南 商丘 476000)

蒸汽牽伸爐是制備高質量原絲裝置中的關鍵設備，在高溫水蒸氣環境下，原絲快速穿過蒸汽牽伸爐，受原絲軸向拉伸力作用而增大纖維的取向度，達到提高原絲質量的目的。原絲生產中，絲束穿過爐芯，在該區域連續通有一定壓力和溫度的飽和蒸汽，因此，絲束穿過很容易造成高溫蒸汽順絲束通道向外泄漏，從而無法保證蒸汽牽伸爐內的溫度和壓力，不利于原絲的高倍牽伸。采取什么密封方法，在不影響正常生產運行的前提下，實現有效的密封是蒸汽牽伸爐設計的關鍵。從各種密封方法的適用范圍和使用效果來看，迷宮密封性能卓越，其密封裝置簡便、高效，操作性和維護性好。迷宮密封用途廣泛，種類繁多，必須根據密封介質的工況環境進行合理的選擇。蒸汽牽伸爐工藝環境特殊，需要進行專門的密封設計，防止蒸汽泄漏。因此，蒸牽爐密封設計是整個牽伸爐設計的重中之重，其密封性能的差異直接關系到蒸汽牽伸爐蒸汽的消耗，同時蒸汽泄漏也會造成生產及作業環境的惡化。

1 迷宮密封的作用機理

迷宮密封是一種簡單、高效的密封裝置，最初主要用于汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、鼓風機的軸端和級間的密封[1-2]，以及動密封的前置密封等機械軸承部件的密封。迷宮密封主要通過構造若干個依次排列的環行密封齒，在齒與齒之間形成一系列截流間隙和膨脹空腔，介質沿一定方向在通過近似迷宮的系列間隙時產生多次節流效應，發生能量的轉換和傳遞，達到對密封介質的阻漏作用。

迷宮對通過其中的流體產生阻力并使其流量減小的特性稱為“迷宮效應”。對液體，有流體力學效應，包括水力磨阻效應和流束收縮效應；對氣體，有熱力學效應，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產生的能效轉換；此外，影響密封性能的還有“透氣效應”等。而迷宮效應正是各種效應的綜合反應，要弄清迷宮密封的原理必須先了解上述四種效應。

1.1 摩阻效應

在液體介質軸密封中，泄漏液流在迷宮內流動時，由于液體的黏附作用，液體與軸表面的摩擦使流速減慢，流量(泄漏量)減少。簡言之，流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構成了磨阻效應，前者與通道的長度和截面形狀有關，如增大密封面積、改平面為凹凸面等。后者與迷宮的彎曲數(迷宮腔數)和幾何形狀有關。通常情況下，流道長、拐彎急、齒頂尖時，阻力增大，壓差損失顯著，泄漏流量減小。

1.2 流束收縮效應

流體通過迷宮孔隙時，會因慣性的影響而產生收縮，流束的截面減小。設孔口面積為A，則收縮后的流束最小面積為CcA，此處Cc是收縮系數。同時，氣流通過孔口后的速度也會發生變化，設在理想狀態下的流速為u0(實際流速比u0小)，令Cd為速度系數，則實際流速u為u=Cdu0。于是，通過孔口的流量將等于q=CcCdAu0式中Cc·Cd=α(α為流量系數)。

迷宮孔隙的流量系數，與孔隙的形狀、大小、齒頂的形狀和壁面的粗糙度有關。對非壓縮性流體，還與流體的雷諾數有關；對壓縮性流體，孔隙的流量系數與氣體膨脹系數ε有關，此外，與孔口前的流動狀態也有一定的關系。而膨脹系數ε是壓力比p2/p1、絕熱指數k及孔徑比β的函數，該值可從相關手冊查出[3]。因此，在研究迷宮時，不能把一個孔隙的流量系數當作所有孔隙的流量系數。根據試驗，第一級的流量系數較小，第二級以后的孔隙流量系數逐漸變大。通常情況下，流量系數取常數1。但是尖齒形孔隙的流量系數比1小，約為0.7，圓齒的流量系數接近1，通常取α=1。

1.3 熱力學效應

理想的迷宮流道模型，是由一個個環形齒隙和齒間空腔串聯而成，即迷宮組合。

氣體通過一個齒隙和齒間空腔的流動可描述如下：在孔隙入口處，氣體狀態為P0、T0，氣體接近入口，氣流受孔隙影響而收縮、加速。在孔隙最小處，氣流獲得最大的速度；當進入空腔時，流速截面突然擴大，并在空腔內形成強烈的旋渦。從能量變化角度看，在間隙前后，氣流的壓力能轉變為動能，溫度下降(熱焓值Hφ減小)。同時，氣體以高速進入兩齒之間的環行腔室時，體積突然膨脹產生劇烈旋渦。渦流摩擦的結果，使氣流的絕大部分動能轉變為熱能，被腔室中的氣流吸收而溫度升高，熱焓又恢復到接近進入孔隙前的值，只有少部分動能仍以余速進入下一個孔隙。如此逐級重復上述過程，最終從孔隙泄漏的氣流量趨近于零，如圖1。

圖1 迷宮中氣流壓力的變化

1.4 透氣效應

在理想迷宮中，通常認為通過縫隙的氣流在膨脹室內，氣流自身的動能全部轉變成熱能。即假定氣流到下一孔隙處的漸近速度等于零，但這種理想狀態只有在膨脹室特別寬闊、特別長(體積無限大)時才成立。在圖1所示的迷宮中，由于通過縫隙后的氣流只能向一側擴散，在膨脹室內不能充分的進行這種速度能(動能)向熱能的能量轉換，而沿光滑壁一側有一部分氣體速度不減小或者只略微減小，直接越過各個齒頂流向低壓側，通常把這種氣流直穿迷宮的現象稱為 “透氣效應”。

2 蒸汽牽伸爐迷宮密封的構造

作為碳纖維原絲生產中的重要設備，蒸汽牽伸爐結構復雜，制造精密，在原絲絲束高速通過其中時，被加熱至玻璃化溫度，并進行拉伸，提高取向度。為了避免蒸汽泄漏，必須對蒸牽爐兩端進行有效的密封。圖2所示為蒸牽爐迷宮密封結構示意圖，在一根圓筒形管道內等距離設有若干分隔齒，將管內空間分成一個個單獨的隔室。隔齒邊緣厚，中間薄，中心開有圓孔，并保證所有圓孔中心位置處于同一條直線。在蒸牽爐兩端的各個紡位，分別設置上述迷宮密封裝置，使被牽伸的絲束從迷宮的孔隙中央依次穿過，進入蒸汽牽伸室；經過牽伸后的絲束再依次從內向外，經過層層迷宮后引出蒸牽爐。

蒸牽爐中部通有高溫飽和水蒸氣，受兩端的迷宮阻隔，從內向外依次經過迷宮的齒間孔隙，發生多次節流作用，使最終出口處蒸汽壓力趨近于零。在孔隙前后，蒸汽的壓力能轉化成孔隙內蒸汽的動能，進入腔室后，蒸汽體積膨脹，使孔隙內蒸汽的絕大部分動能轉變為熱能，被腔室中的氣體吸收而溫度升高。從而使大量的蒸汽被隔在孔外，只有少量氣體穿過孔隙，壓力能經過動能轉化成熱能，腔室內氣體的壓力顯著降低。經過下一孔隙和腔室時蒸汽壓力進一步降低，依此類推，逐級遞減。

圖2 迷宮密封結構示意圖

原絲經過具有良好同軸度的孔隙時，大量的水蒸氣在迷宮節流作用下，被阻隔在迷宮入口處，只有少量的蒸汽從出口泄漏出去。根據生產實際效果來看，迷宮密封裝置大大減少了蒸汽牽伸爐的蒸汽消耗，在爐的兩端只有極少量的蒸汽泄漏。

3 影響迷宮密封性能的因素

迷宮密封的影響因素很多，主要包括以下幾個方面。

3.1 迷宮密封的長度

迷宮密封各腔室的壓力是逐級遞減的，在成本及設計允許的條件下，齒距一定時，齒數越多，泄露量越少。但從經濟角度考慮，在介質壓力已經較低時可輔助其它形式的密封，效果更佳。根據原絲蒸汽牽伸爐兩端的密封情況，可配合采用壓縮空氣進行端面密封，避免蒸汽外漏，其壓力只需略高于出口處蒸汽壓力即可。

3.2 齒間孔隙的大小

迷宮密封主要是利用齒間孔隙的節流作用達到阻礙蒸汽等介質流動的目的。其節流效果的好壞與齒間孔隙的大小密切相關，孔隙越小，節流作用越顯著，孔隙后的腔室壓力下降越低，從而密封效果越好。而且當孔隙減小到一定程度后，隨孔隙的繼續減小，相對泄漏量下降更快[4]。

3.3 進、 出口壓力比

迷宮密封的泄漏量與迷宮的進出口壓力比緊密相關，在李志剛等[5]的研究中，同等條件下，迷宮的泄漏量與壓比呈近似線性遞增的關系。表明進、出口壓比提高，泄漏量增加。

3.4 其它因素

根據國外所進行的同類試驗得出：齒距的改變也會影響迷宮的密封效果，齒距增大時，泄漏量下降顯著，同時還可以減少透氣現象。

齒尖的厚度對密封效果也有較大的影響，通常齒尖厚度應小于0.5 mm，齒尖越厚泄漏量越大。

4 蒸汽牽伸爐迷宮設計的要點

通過對迷宮內介質流動狀態的研究，結合長期的使用經驗，筆者認為蒸牽爐迷宮密封的設計需要注意以下幾點：

(1)盡量使氣流的動能全部轉化為熱能，避免氣流以一定的余速進入下一個間隙。迷宮內齒與齒之間應保持適當的距離。根據實際使用經驗，齒間距一般控制在15～20 mm之間為宜。

(2)密封齒要做得盡量薄，齒尖盡可能帶銳角。通常，密封齒尖厚度應小于0.5 mm，考慮到走絲過程中對原絲的摩擦和齒尖的強度等因素，密封齒應盡量光滑、規則，孔隙大小一致。避免出現孔隙周緣掛絲或磨絲，造成毛絲或斷絲，影響產品質量和蒸牽爐的穩定運行。

(3)受走絲過程的影響，蒸牽爐迷宮孔隙不宜太小，否則絲束無法穿過，即使勉強穿過，也會因摩擦造成斷頭增加。孔隙增大，迷宮密封泄漏量必然增大。為了減少泄漏，可以輔助其它方法，采用充氣式迷宮密封，在迷宮的出口處引入壓縮空氣，阻止蒸汽向外流動，其壓力稍大于被密封的蒸汽壓力即可。

蒸汽牽伸爐內迷宮密封不同于通常用于氣輪機、燃氣輪機等葉輪機械上的迷宮式氣體密封。后者密封的間隙與軸承間隙，制造公差與裝配誤差，部件的變形(如鑄件收縮和失圓)，轉子的撓度，以及通過臨界旋轉頻率時的振幅，熱膨脹以及由此引起的變形等有關，而牽伸爐密封間隙主要考慮原絲絲束截面大小、孔隙的同心同軸度、制造及裝配誤差、部件的熱變形等。選用合適的孔隙大小并配合采用充氣密封方法，是避免蒸汽牽伸爐蒸汽泄漏的重要保證。

5 結 語

經過近40年的探索與發展，我國碳纖維產業已經初具規模。多年的研究發展歷程表明，發展我國自己的碳纖維需要自力更生，開拓創新。在現有技術基礎上，不斷開發、完善工藝技術，研發、創新關鍵設備，進一步加速我國碳纖維產業向高性能、高產量、低消耗方向發展，是每一個碳纖維研究人員和生產者肩負的重要任務。

[1] 聞邦椿，武新華，丁千，等．故障旋轉機械非線性動力學的理論與試驗[M].北京：科學出版社，2004．

[2] 沈慶根．化工機械故障診斷技術[M]．杭州：浙江大學出版社，1993．

[3] 上海工業自動化儀表研究所,GB2624.4-2006-T，用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量[S].中國國家標準化管理委員會匯編.北京: 中國標準出版社,2006:12-13.

[4] GAMAL A J M，VANCE J M.Labyrinth seal leakage tests：tooth profile，tooth thickness，and eccentricity effects [J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008,130 (1)：1011.

[5] 李志剛．迷宮密封泄漏特性影響因素的研究[J]．西安交通大學學報，2010，44(3):16-18.