高速透平離心壓縮機干氣密封設(shè)計技術(shù)

徐相鋒等

【摘 要】在簡要論述干氣密封的工作原理、典型結(jié)構(gòu)、超高速運轉(zhuǎn)的干氣密封特點的基礎(chǔ)上，詳細分析了超高速透平離心壓縮機干氣密封設(shè)計技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)、材料選用、旋轉(zhuǎn)件的強度計算、降低運轉(zhuǎn)振動采取的措施，有關(guān)試驗技術(shù)，實際運行情況。

【關(guān)鍵詞】透平離心壓縮機；干氣密封；振動；螺旋槽

1.干氣密封工作原理

1.1簡介

干氣密封是美國John Crane 公司上世紀六十年代開始研究的氣膜潤滑端面密封，八十年代達到實用化。干氣密封是一種“以氣封氣”、流體動靜壓結(jié)合的非接觸式機械密封，是目前世界上最先進的一代高速透平離心壓縮機軸端密封。其主要應(yīng)用于天然氣管線、煉油、石油化工、化工等行業(yè)的透平壓縮機，用于密封各種危險性工藝流程氣體、以便維持主機的正常運轉(zhuǎn)，降低物料和能源的消耗、防止環(huán)境污染，保證人身及設(shè)備安全。干氣密封有以下特點：可靠性高，使用壽命長，密封氣泄漏量小，功耗極低，工藝回路無油污染，工藝氣亦不污染潤滑油系統(tǒng)，取消了龐大的密封油供給及測控系統(tǒng)，占地面積小，重量輕，運行維護費用低，減少了計劃外維修費用和生產(chǎn)停車。

1.2工作原理

干氣密封要取得優(yōu)化的性能需要保持間隙穩(wěn)定，同時為減小泄漏希望間隙很小，但是又能夠使密封面不會發(fā)生接觸，即使是在因各種原因發(fā)生軸向移動時也要能夠保持這個間隙。干氣密封是通過開啟力和閉合力之間的動力平衡來實現(xiàn)這一功能的。

在動力平衡條件下，作用在密封上的力如圖1所示。

閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo，運行間隙大約為3微米。

如果由于某種干擾使密封間隙減小，則端面間的壓力就會升高，這時，開啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動加大，直至平衡為止。類似的，如果擾動使密封間隙增大，端面間的壓力就會降低，閉合力Fc大于開啟力Fo，端面間隙自動減小，密封會很快達到新的平衡狀態(tài)。

這種機制將在靜環(huán)和動環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性相當高的氣體薄膜，使得在一般的動力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長了使用壽命。

2.超高速干氣密封設(shè)計技術(shù)要點

以某廠天然氣壓縮機為例。干氣密封結(jié)構(gòu)圖見2。該壓縮機工作參數(shù)如下：

入口壓力（MPaG）1.50，溫度40°C

出口壓力（MPaG）2.85，溫度150°C

工作轉(zhuǎn)速：14080rpm（動環(huán)工作線速度=121m/s）

密封設(shè)計轉(zhuǎn)速：16192rpm（動環(huán)最大線速度=139m/s），密封為超高速干氣密封。

密封設(shè)計壓力：2.2MPaG。

2.1降低密封副的工作溫度

①降低密封副的發(fā)熱量：

密封副熱量主要來源于密封高速運行的摩擦熱，它與摩擦副寬度有關(guān)。在保證密封副端面承載能力的前提下，密封副寬度應(yīng)盡量減小。密封設(shè)計壓力2.2MPaG為中壓范圍，載荷不大，密封副寬度可選至允許的最低值。一般寬度范圍在B=18～20mm，此處選B=18mm。

②對密封進行冷卻：

密封裝在壓縮機轉(zhuǎn)子兩端，壓縮機工作溫度約60°C～70°C，使干氣密封工作溫度較高，不利于密封自身散熱，只能采取外部手段進行冷卻。

本臺天然氣壓縮機干氣密封的主密封氣采用氮氣，氣源溫度約20℃。氮氣經(jīng)密封端面泄漏后會帶走部分熱量，但干氣密封泄漏量較小，約在3Nm3/h左右。主密封氮氣吸收的熱量有限，還需通過前置緩沖氣對密封進行冷卻，也隔斷機內(nèi)高溫氣體的熱量向密封擴散。用戶要求前置緩沖氣采用壓縮機出口氣，其溫度為150℃，需要預(yù)先強制水冷，具體實施由用戶負責。通常前置緩沖氣供氣量10Nm3/h，為便于密封散熱，應(yīng)將供氣量提高至15Nm3/h。

2.2動環(huán)箍的設(shè)計

動環(huán)箍熱裝時注意：

A.鈦金屬是化學活潑性高的金屬，在高溫中能與多種化學元素反應(yīng)，加熱過程容易氧化和吸氣產(chǎn)生氫脆，故加熱溫度不宜太高。如果在真空爐中加熱，可通入氬氣保護。

B.鈦金屬對缺口敏感性大，要求加工表面質(zhì)量高。

2.3降低密封旋轉(zhuǎn)件振動措施：

如上面所述，旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的振動對密封是很不利的，所以必須嚴格控制旋轉(zhuǎn)件振動。動不平衡是旋轉(zhuǎn)件振動的根本原因，必須保證旋轉(zhuǎn)件做動平衡試驗時的精度。動平衡應(yīng)滿足國家標準《剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)許用不平衡的確定》（GB9239-88）的G2.5級要求。做動平衡的順序如下：首先將試驗工裝做平衡；然后將密封旋轉(zhuǎn)件裝在試驗工裝上做平衡。為避免旋轉(zhuǎn)件孔與試驗工裝外圓裝配時產(chǎn)（下轉(zhuǎn)第232頁）（上接第201頁）生偏心誤差，必須解決好兩個問題：

①旋轉(zhuǎn)件內(nèi)孔——試驗工裝外徑之間的配合一般是F7/h6：Φ100 F7（）/Φ100h6（），最小間隙0.036mm，最大間隙0.093mm。為了減少裝配偏心誤差，將配合改為非標準公差帶：Φ100（）/Φ100（），單件生產(chǎn)對工藝成本影響很小，最小間隙0.03mm，最大間隙降為0.06mm。

②旋轉(zhuǎn)件與試驗工裝間仍有0.03～0.06mm的間隙，平均間隙0.045 mm，還是有較大的間隙。為此，在設(shè)計上要提高孔軸之間定位之件——聚四氟乙烯定位環(huán)的剛度。一般情況下，定位環(huán)截面結(jié)構(gòu)為橋式空心結(jié)構(gòu)，過盈量0.01～0.02mm?，F(xiàn)將截面結(jié)構(gòu)改為實心結(jié)構(gòu)，過盈量改為0.02～0.03mm。

2.4試驗技術(shù)

為保證密封在試驗機上正常運轉(zhuǎn)、降低振動，設(shè)計試驗工裝結(jié)構(gòu)時盡量提高結(jié)構(gòu)剛度、聯(lián)接剛度，使結(jié)構(gòu)能夠減振、避振，阻斷振動傳遞。

超高速試驗時，試驗機與工裝散熱面積小，工作溫度很高，會達到150℃；而密封在壓縮機上實際運行時散熱面積大，工作溫度不會很高。

為保證正常試驗，必須對試驗機和試驗工裝外表面強制風冷。

另外，超高速干氣密封的設(shè)計還應(yīng)在密封端面的螺旋槽技術(shù)方面做特殊處理，本文在此不做討論。

3.現(xiàn)場運行結(jié)果

該壓縮機干氣密封安裝后運行狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)速14080rpm；主密封泄露量為1.4Nm3/h；壓縮機轉(zhuǎn)子原來振動值50μm，現(xiàn)在振動值為15μm。一切運行指標合格，達到預(yù)期性能。

4.結(jié)論

實踐證明，本文提出的超高速干氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便可行，計算方法簡潔容易，具有一定的通用性。解決了超高速干氣密封的設(shè)計難點，為超高速透平離心壓縮機的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。 [科]

【參考文獻】

[1]顧永泉著.流體動密封.中國石化出版社，1992.

[2]胡國楨著.化工密封技術(shù).化學工業(yè)出版社，1978.

[3]機械設(shè)計手冊.化學工業(yè)出版社，1982.