非接触式机械密封基础研究现状与展望

非接触式机械密封基础研究现状与展望

作者：魏文亮

来源：《中国科技博览》2017年第28期

[摘 要]非接触式机械密封的特点是低磨损，高可靠性，从而成为密封领域重点研究的热点，笔者将通过对非接触式机械密封中的流槽设计技术进行详细的分类化讨论，分别从槽深，转向，介质三个不同方面来进行对比论述，并且简要给出其中使用的范围和条件，从而达到让广大从事和接触非机械密封工作的人员对非接触式机械密封产生更为全面的了解，这会对他们以后对非机械式密封的设计和选型都会有一定的帮助，也让使用这项技术的人们受益其中。 [关键词]泄漏率；模型公式；数值

中图分类号：F30 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）28-0367-01 一、泄漏率的评判参数

评判机械密封性能的主要参数是泄漏率，对于非接触式机械密封端面泄漏过程复杂的影响因素比较多，并且它是一个和实践运行有所关联的变量，并非稳定状态下的参数，所以其泄露模型的建立是非机械密封研究领域一直都存在的重难点，国内外的学者们也都对其进行过相关大量研究，陆续提出了许多经验公式和数值计算模型，笔者在本文中介绍了边界摩擦状态和混合摩擦状态的泄露经验公式，并分析了包含密封端面的液膜压力，微凸体接触比压，液膜厚度和平衡方程中的计算模型，对不同作者不同假想条件下采用数值计算模式得出的计算结果也都进行了大量的比对分析，探讨了经验公式及计算模型存在的一些问题。

关雅贤等于1986 年在国内对圆弧深槽机械密封进行了试验研究。许多学者也都针对圆弧深槽进行了深入的理论及实验研究，研究表明，深槽密封特别是圆弧深槽密封具有良好的密封性能。 在我国国内对圆弧槽设计及生产能力的不足让我国对许多极端工况下使用的机械密封产品仍然需要依赖进口来完成。 二、浅槽密封的原理

浅槽密封的原理是指开槽深度为微米数量级别的各种槽形，是通过密封端面之间流体动压力从而实现了密封端面的非接触式机械密封。此类槽形主要有周向台阶周向槽和斜面，直线槽，三角槽，半圆形槽，叶形，弧形，矩形，螺旋等各种槽形的组合，其中，最为普通常见的槽形为螺旋槽及其组合，浅槽密封主要用途是用于气体，虽然也可以密封液体，但原理却不尽相同，密封面较为宽广是它和普通机械密密缝所不同的显著特点，具体内容在下文液膜气膜的非接触机械密封中详细的讲解。

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液膜气膜中非接触式机械密封等性能最佳，所以此应用是最普遍的，虽然提出上游泵送机械密封概念已经年份已久，同时也开发出相应的产品并且得到了成功的应用，但无论国内还是国外， 都对上游泵送的密封机理还缺乏系统而深入的研究， 还有很多问题需要解决。 气膜密封即干气密封自上世界四十年始逐步应用于工业领域，最初是用在航空工业界，第一个干气密封的专利是于1968 年在英国产生，1976年首次用于工业应用，1983 年开始推广应用，约翰克兰公司的干气密封产品的起步较早一些，同时也比较成熟，已经在离心压缩机、汽轮机和工业泵上获得了广泛应用。根据旋转的方向，非接触式机械密封可以分成单向旋转式和双向旋转式两部分。槽型结构具有非对称性，让单向旋转式非接触式机械密封只能在正转的时候工作，在反方向运转时不能建立起隔离动静环硬性固相接触的动压。这种状况下就会让人们更加对双向旋转式非接触机械密封的研究上进行关注。

单向旋转密封整体来说，目前单向旋转非接触式机械密封在市场上占得比例较大， 单向密槽封的动压效果较对称布置的双向槽略大是单向旋转槽获得广泛应用的原因。但随着工业的高速发展，密封的工作状况趋于高温、高压和高速，在开车启动中，难免偶然的人为或机械错误造成的反向旋转而造成的密封损坏、失效，造成较大损失。所以，能使用既可满足工况使用要求，又能避免错误操作带来意外损失的双向旋转密封称为研究热点。根据前面的论述，单向旋转密封包括气膜液膜、深槽浅槽的各种非对称槽型。

双向旋转非接触式机械密封对称布置的槽形对主轴转向时的密封没有什么影响，把安全性提升了。而且具有双向旋转性能的非接触机械密封槽型较多。 三、作用机理

非接触式机械在密封机理上分析出来的按气膜和液膜要么是单向，要么是双向，都不是很完美，从槽深上来分析是比较全面和完整的，因为涉及到的静压和动压都是和槽深有密切联系，所以，对于作用机理我们只从槽深来进行分析。

深槽密封的作用机理弹流理论范畴内的深槽密封机理，一般适用于液体密封。

浅槽密封机理流体静力存在于密封静止或旋转时，而流体动力只存在于密封旋转时。当它为常见端面外径开设浅槽干气密封时其转动方向为顺时针。由于浅槽旋转时所产生的泵吸作用，把外径侧的高压隔离气体泵入到密封端面当中，泵入气体被压缩而产生压力升高的结果，而让两接触端面分离从而达到要求的气膜厚度，密封端面间的开启呈现非接触状态，而高压气膜的形成不仅对工作介质有密封作用，又对摩擦副得到有效润滑，从而实现非接触状态下的运转零磨损，把浅槽密封用于密封液体时，它的上游泵送密封工作的原理类似于干气密封，不同之处在于，上游泵送借助端面开设的流体动压槽是把从高压侧泄漏的到低压侧的被密封介质重新反输至高压侧一端，亦或是把低压侧的缓冲体微量地泵送至高圧密封介质一端，这样就消除了密封介质高压侧到低压侧的泄漏。

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四、适用范围

由于浅槽密封的效果较好，但由于膜的厚度较小，容易被介质中的介质堵塞污垢，从而破坏压膜存在，端面磨损，甚至造成了严重泄漏导致密封失效，与此同时，浅槽密封对安装精准度的高要求直接影响了密封使用起来的效果，据研究表明非接触式密封在高速高压的效果下比较稳定，它在工作时的膜厚为微米级别，槽深与它不在同一数量级，有很大差异，同时深槽密封产生的东亚增量使密封对动压波动的敏感性降低了许多，这样更有利于密封时的稳定操作，深槽密封无论对转速还是安装精度等也不存在敏感现象，多用于低速，高压，高温和大尺寸场合。在单向旋转密封和双向旋转密封都能满足工况的场合时，可以选择双向密封，可避免偶然的失误所造成的不必要的损失和麻烦；但如果是在要求较高双向旋转满足不了使用的前提下只能使用动压性能较好的单向密封。对于液膜气膜密封，需要根据具体的介质工况具体去选择，其中液膜密封中的上游泵送密封既可以选在密封要求不太苛刻的场合使用，又可在泄漏控制较为严格的密封场合用作需有缓冲液系统的零逸出密封。由于大多数的非接触密封工况都会造成从高压测向低压侧的泄漏，所以从实用性上讲上游泵送密封的使用范围会越来越广泛。 结语

（1） 由于浅槽密封槽深较小，容易出现浅槽被堵塞的情况，为防止堵塞，对密封液的要求也相对较高，而且在高速时的密封效果最好。

（2） 由于对转速和安装精度等的不敏感性，转运功率较低较浅的槽形，在高压，高速，高温及大尺寸场合比较适用，

（3）有些场合单向旋转密封和双向旋转密封同时都可以满足的情况下，就避免了由于偶然失误造成的不必要损失。

（4）密封介质在为液体形态时，并且对泄露要求较高的情况下可以选择运用具有泵送效用的上游泵送密封。 参考文献

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