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1、 电磁驱动式可控环转速可控型机械密封特 性研究 1 绪论1.1 本课题的研究背景和意义1.1.1 本课题的研究背景在实际的工业生产中，评价一个机组密封质量的重要标准是对影 响密封性能的参数的考察。被密封机组中工作介质或缓冲剂的泄漏， 将可能导致环境的污染和生产成本的增加，不利于企业的可持续发 展。如果被密封机组中泄漏出的是有毒、强腐蚀性和容易产生爆炸 以及有放射性的物质，这将对操作人员的人身安全造成威胁；相反， 如果泄漏是从外部环境进入被密封机组的工作介质，将会影响工作 介质的质量。在企业的工业生产中，造成计划外停车的一个重要因 素是由于密封部件不能够正常持续的工作。根据有关报道，造成计 划外
2、停车的原因 60%是由于机组的密封部件导致的5-7。现代工业 生产中加工工艺的提高以及各种高性能新材料的出现，促进了密封 产品向更高水平发展。目前机械密封的应用状况是：被密封机组的 工作介质压力越来越广，压力范围可以从 310 Pa 到 35MPa；同时 工作介质的温度范围也越来越大，最低温度可达到极冷，最高温度 可以达到 1000；被密封机组的轴向转速现在已经可以达到 50000r/min，同时被密封机组的使用 PV 值最高已经达到 1000MPa.m/s ，足以说明现代密封产品应用范围的广泛性8-9。当 前关于动压非接触式机械密封主要集中在高速工况下，而且理论和 实践也证明在高速工况下动压
3、非接触式机械密封工作的稳定性更加 可靠10。螺旋槽干气密封是目前动压非接触式机械密封的主要形 式11，同时螺旋槽干气密封也已经成为高速透平压缩机的主导密 封形式之一12-14。但由于螺旋槽干气密封主要运用在被密封主轴 较高的密封机组中，对主轴转速的要求较高，不能够很好的运用在 低转速的密封机组中15-16；虽然静压非接触式机械密封可以运用 到低转速的被密封机组中，但是其稳定工作的前提是必须要有一套 稳定的外部供压系统，这势必导致了生产成本的增加和控制的复杂 度；同时，在主轴转速非常高的密封机组中，转速的提高使得密封 间隙增大，增加了泄漏量，密封效率较低。所以对该类产品的设计 研发提出了更高的要
4、求。目前国内在其核心技术的研发方面取得的 原创性成果不多17-19。1.1.2 本课题的研究意义螺旋槽干气密封作为动压非接触式机械密封的主要应用形式，有 着非常良好的应用前景，逐渐成为各种压缩机、反应釜等旋转轴机 械的轴端密封方式20。由于螺旋槽类干气密封的出现使得轴端密 封不再受限于密封润滑油，且螺旋槽干气密封的控制系统比静压非 接触式机械密封的供压系统要简单的多。根据应用实际，螺旋槽干 气密封比静压非接触式机械密封的优越性体现在以下几个方面：1. 去除了密封所需的外部供压系统；2.节省了驱动供压系统运转所需 的功率负荷；3.减少了计划外停车和维修供压系统的费用；4避免 了被密封介质二次污染
5、的可能性；5.节约维修安装费用，减少了成 本，经济实用性好；6. 延长了密封的使用寿命，使机组可以安全长 周期运行；尽管轴端密封在工业生产中所占的比例比较小，但却起 着至关重要的作用。一旦轴端密封泄漏，将可能导致整台机械设备 的停车，如果这台设备是生产线的中间重要部分，更严重的后果是 对企业的生产计划产生致命的打击。尤其是在石油化工生产中，密 封的失效将可能导致无法挽回的损失21。因此，研究一种安全、 稳定、可长周期运行的密封形式有着巨大的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外相关领域的研究情况最近几年机械密封技术有了较大的发展，主要包括通过对动静环 密封端面开设流体槽的密封面开槽表面改
6、形密封技术、完全控制泄 漏量的零泄漏密封技术、不用配备密封油站的干运转气体密封技术 以及上游泵送密封技术和多端面密封技术等，利用这些新出现的技 术和概念出现很多新的结构和产品。在国外，Bonneau22等最早对 螺旋槽 DGS（S-DGS）进行了稳态情况下流体膜的数值分析， Tournerie23等分析了 S-DGS 螺旋槽槽型参数对端面开启力以及泄 漏量的影响，Zirkelback24在研究了 S-DGS 端面几何参数的前提 下对螺旋槽几何参进行了优化。以色列教授爱特逊最早在 1984 年 对非接触式机械端面密封不能实现零泄漏提出了质疑，在他的理论 研究中非接触式机械密封同样可以实现零泄漏，
7、改变了密封技术中 非接触式机械密封不能达到零泄漏的传统观念，并随后发明了圆叶 槽机械密封，其密封原理可以简述为：利用在密封端面开设流体槽 形成流体动压剪切流阻止由于密封端面的泄漏形成的压差流，进而 达到对密封端面泄漏量的控制，实现零泄漏，同时该密封结构在转速较低形成的动压效应较小时仍能很好的完成密封；美国人利普歇 兹，同时也是爱特逊的教授研究生，在 1985 年他提出可控浮动膜 端面密封新概念，发明了径向直叶槽机械端面密封25。1994 年瓦 塞和伊文斯顿等也提出了可控浮动膜原理的螺旋槽端面密封。这些 理论的提出对于动压非接触式机械密封的应用范围奠定了基础，使 得只有在被密封主轴转速较高是密封
8、效果较好的动压非接触式机械 密封可以运用到被密封主轴转速较低的机组中。依据多端面密封技 术和密封端面开设流体槽技术，日本人横山英二在 1990 年发明了 带有中间环的双向螺旋槽端面密封，并且申请了专利 2-236068。日 本伊格尔公司的古贺忠、伊藤正伸和美国西乐公司的巴苏通过对密 封端面开设流体槽改形的技术在 1991 年首次提出并共同开发了径 向直线槽气体端面密封，同年克兰公司也通过对密封端面开设流体 槽改形技术研制并生产出倒 V 形槽、BD 型双向的单双梯形槽、倒 T 形槽等气体端面密封技术。德国博格曼公司的诺索维奇及蔡斯通 过针对干式气体密封技术的研究，在 1992 年和美国约翰克兰公
9、司 一起发明了 DGS 型带有中间环的在密封端面开设圆弧槽的双向气体 端面密封的新产品，并申请了双向气体端面密封专利 090712。1995 年美国杜拉密泰列克公司研制出了一种专用的圆弧槽气体端面密封， 该密封形式主要针对高压泵等高压设备以及反应釜等低速设备。新 的密封形式的出现及密封概念的提出对干气密封的发展以及应用起 到了积极的推动作用。2 中间环驱动形式的选择分析及尺寸计算2.1 驱动形式的选择及分析2.1.1 驱动形式的选择近年来，随着电力系统的发展，在现在的工农业生产中的驱动绝 大部分是由电机来驱动旋转机构完成的。国民经济的发展、科学技 术的进步和人民生活水平的提高，都对电机的性能提
10、出了许多新的 更高的要求。而新材料，特别是高性能稀土永磁材料的问世和不断 完善，以及电力电子技术的发展，为满足这些要求提供了可能。电 机内赖以进行机电能量转换的气隙磁场，可以由电流励磁产生，也 可以由永磁体产生，世界上第一台电机就是永磁电机。近几十年， 随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁的相继问世，磁性 有了很大提高。当前，随着永磁材料性能的不断提高，加工工艺的 进一步完善以及现代控制技术的不断发展，永磁驱动机构在工农业生产中的应用范围越来越广，正逐步向更高水平发展。与电励磁驱 动机构相比，永磁驱动机构，特别是稀土永磁驱动具有结构简单、 运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、形状和
11、尺寸可以灵 活多样等显著优点。它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且 可以实现电励磁电机难以达到的高性能。目前永磁驱动的功率小至 mW 级，大至 1000kW 级，在工农业生产，航空航天、国防和日 常生活中得到广泛应用。与此同时，随着计算机硬件和软件技术的 迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术等现代设计 方法的不断完善，在永磁电机的设计理论，计算方法、结构工艺和 控制技术等方面都取得了突破性进展，形成了以电磁场数值计算和 等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析、 设计软件。永磁同步驱动机构在开环控制情况下调速运行时，不 需要位置传感器和速度传感器，只需改变供电
12、电源的频率便可调节 驱动机构的转速，比较简单。总的来说，变频器供电的永磁同步驱 动机构加上转子位置闭环控制系统便构成自同步永磁驱动机构。综 合现代工程应用以及永磁同步驱动的优越性，本文选择烧结的钕铁 硼作为永磁同步驱动机构的磁性材料来完成对中间环转速的控制。3 中间环密封气膜分析理论基础.243.1 流体力学概述.243.2 计算流体力学基础.253.2.1 CFD 概述.253.2.2 计算流体力学的求解过程.263.3 数学模型和控制方程的建立.273.4 湍流模型.313.5 控制方程的数值解法.323.6 边界条件.343.7 本章小结.354 基于 Fluent 的中间环密封性能数值
13、分析.364.1 FLUENT 软件简介.364.2 计算模型的建立.384.3 CFD 的计算过程.404.4 流体膜性能计算.444.5 算例分析.454.5.1 基本参数.454.5.2 气膜压力分布及分析.454.6 工况参数对密封性能的影响.474.7 本章小结.535 结论与展望.545.1 完成的主要工作及结论.545.2 展望.55结论端面开槽机械密封是近年来发展迅速的一种机械密封技术，随着 工艺及加工技术的不断进步，各种流体槽应运而生，尤其是螺旋槽 干气密封，发展尤为迅速。作为一种新型的动压非接触式机械密封， 其有着许多传统机械密封没有的优点：功率消耗低、运行寿命长、 泄漏量
14、低以及维护费用少等。虽然有着诸多的优点，但是在使用时 却有一定的局限性，尤其是在低转速阶段或低转速密封机组中运行 状况并不好，尤其是使用寿命。在低转速密封机组（例如反应釜） 上应用螺旋槽干气密封有着很大的复杂性以及特殊性，这是因为在 转速比较低时，螺旋槽的动压效应比较弱，导致端面开启困难，容 易磨损。本文根据中国专利设计了一种中间环螺旋槽干气密封，端 面相对转速不再依靠被密封机组，可以更加容易的产生动压效应， 对中间环的驱动机构进行了一定的设计，分析了密封的工况参数对 密封性能的影响，对低转速密封机组应用动压非接触式机械密封奠 定了一定的理论基础。1）通过对传统驱动形式的分析，选择了一种中间环
15、的驱动形式 永磁驱动，并进行了驱动机构的整体结构设计以及安装的 设计；2）讨论了永磁驱动中间环的密封原理，并提出了在此中间环密 封设计中可能存在的问题，同时完成了给定工况下中间环驱动机构 主要额定参数及尺寸的计算，为进一步完善中间环密封奠定了一定 的基础；3）应用三维建模软件 Pro/E 建立了中间环螺旋槽干气密封端面 流体膜的三维分析模型，采用流体分析软件 Fluent 对模型进行了计 算分析；4）分析了不同工况下中间环螺旋槽干气密封性能的变化。得出 了加入中间环后的流体膜承载力分布情况。从分析结果来看，流体 膜承载力由外向内有两个变化过程，首先是从压力入口到槽底，压 力逐渐增大，这是由于存
16、在螺旋槽以及密封坝和密封堰，流体膜在 螺旋槽槽根处达到一个极值，随着密封端面的开启，承载力开始减小，至内径处最小；5）从不同转速压力云图可以直观的看出，即使密封机组的转速 较低，但在加入中间环后，低转速密封机组同样可以应用动压非接 触式机械密封；但是当转速超过一定值后，泄漏量将增加迅速。同 时也说明了在超高转速密封机组中，可以用中间环机械密封来降低 密封端面的相对转速，减少泄漏。参 考 文 献1 吴亚辉，任祥娟.浅谈化工生产中的设备密封及方法J.化学 工程与装备，2011，10: 97-101.2 顾永泉.机械密封使用技术M.北京：机械工业出版社，2001.3 王和顺.干气密封运行状态稳定性的研究D
