第七章 非接触密封

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1、第七章非接触密封 主讲：冯子明 第七章非接触密封 7.非接触 密封 7.1间隙密封 7.2迷宫密封 7.3螺旋密封 7.4迷宫螺旋密封 7.5气膜密封 7.6液膜密封 7.7离心密封 7.8浮环密封 7.9停车密封 7.10磁流体密封 7.1间隙密封间隙密封* 1）间隙密封的结构形式及特点 间隙密封*：一般为流阻型非接触动密封，系统流体 沿着微小环形间隙利用黏性摩擦的耗损进行节流而达 到密封目的。 图 7-1 固定衬套密封 图 7-2 浮动环密封 1-衬套；2-轴 1-浮动环；2-轴 2）间隙密封的原理 图7-3浮动环间隙密封的典型结构 3 1 1.5 12 D ph Q L 流动形成的 体积

2、泄漏率: 浮动环对轴偏心率对泄 漏量有很大影响，最大偏 心( =1)时的泄漏率是同心 ( =0)时的2.5倍。与其增加 单个浮动环的轴向长度， 还不如几个较短的浮动密 封环串联使用。 轴速度非常高时，必须 限制流体黏性摩擦产生的 热量，轴向长度L应尽可 能地小。浮环密封泄漏率 对径向间隙h的敏感性超 过轴向长度L。 2）间隙密封的原理 如果浮动环与轴的径向间隙沿压力降方向逐渐变小，形 成一锥形环隙: 32 2 12 2 121 / D ph Q L hh 如果考虑浮动环与轴的不同心， 则相应的泄漏率为: 32 2 2 23 1 1214 D ph Q L 图7-4浮动环间隙锥 度的影响 2）间

3、隙密封的原理 根据薄膜润滑的雷诺方程，流 体沿轴向的压力分布为: 2 1222 21 111 xx L L p xppp x L 3)间隙密封的摩擦功耗与最佳间隙 在高速情况下，浮 动环与轴之间间隙 内的流体由于轴向 压差流和周向剪切 流的黏性摩擦的作 用，将明显发热， 这也是要求浮环密 封轴向长度尽量短 (L=35mm)的另一 原因。 图7-6引起摩擦损耗的压差流和剪切流 4）间隙密封的变形 图 7-7 柔性材料浮动环间隙密封的变形 图 7-8 应用于高压环境的间隙密封 如果浮动环由较易变形的材料制造或应用环境的压力相当 高，浮动环将会发生变形，形成间隙逐渐缩小的浮动环间 隙密封，该类密封具

4、有较低的泄漏率。 7.2迷宫密封迷宫密封 迷宫密封也称梳齿密封迷宫密封也称梳齿密封，属于非接触型密封。主要用 于密封气体介质，在汽轮机、燃气轮机、离心式压缩 机、鼓风机等机器中作为级间密封和轴端密封，或其 他动密封的前置密封，有着广泛的用途。 迷宫密封的特殊结构形式，即“蜂窝迷宫”，除可在 上述旋转机械中应用外，还可作为往复密封，用于无 油润滑的活塞式压缩机的活塞密封。 迷宫密封还可作为防尘密封的一种结构形式，用于密 封油脂和润滑油等，以防灰尘进入。 1）结构形式和工作原理 （1）结构形式：迷宫密封是由一系列节流齿隙和膨胀空腔 构成的，其结构形式有：曲折形、平滑形、阶梯型、径向 排列、蜂窝形。

5、 图 7-9 曲折形迷宫密封 a为整体式曲折形迷宫密封，当密封处的径向尺寸较小时，可做成这 种形式，但加工困难。这种密封相邻两齿间的间距较大，一般为5 6mm，因而使这种形式的迷宫所需轴向尺寸较长。 bd为镶嵌式的曲折密封，其中d形式密封效果最好，但因加工及装 配要求较高，应用不普遍。在离心式压缩机中广泛采用的是图b及c形式 的镶嵌曲折密封，这两种形式的密封效果也比较好，其中c比b所占轴向 尺寸较小。 （1）结构形式 平滑形平滑形:为制造方便，密封段的轴颈也可做成光轴，密封体上车 有梳齿或者镶嵌有齿片。平滑形迷宫密封结构很简单，但密封 效果较差。 阶梯形阶梯形:密封效果优于光滑形，常用于叶轮轮

6、盖的密封，一般有 35个密封齿。 径向径向排列排列形形: 有时为了节省迷宫密封的轴向尺寸，还采用密封片 径向排列的形式。其密封效果很好。 蜂窝形蜂窝形:用0.2m厚不锈钢片焊成一个外表面像蜂窝状的圆筒形 密封环，固定在密封体的内圆面上，与轴之间有一定间隙。可 密封较大压差的气体，但加工工艺稍复杂。 图 7-10 其他形式迷宫密封 （1）结构形式 迷宫密封的密封齿结构形式有密封片和密封环两种。 密封片式密封片式特点：结构紧凑，相碰时密封片能向两旁弯折， 减少摩擦；拆换方便；但若装配不好，有时会被气流吹倒。 密封环式密封环式特点：轴与环相碰时，齿环自行弹开，避免摩擦； 结构尺寸较大，加工复杂；齿磨

7、损后要将整块密封环调换， 因此应用不及密封片结构广泛。 （a）不锈钢丝嵌在转子上 （b）转子和机壳嵌有密封片 （c）密封环式 图 7-11 迷宫密封齿的结构形式 （2）工作原理 图7-12迷宫密封的工作原理 迷宫密封的特点是有一定的漏 气量，并依靠漏气经过密封装置 所造成的压力降来平衡密封前后 的压力差。 （2）工作原理 如何提高密封效果*，即漏气量小： 减小齿隙面积，即要求齿隙间隙小，密封周边短，使得 小的漏气量流过齿隙时，能有较大的动能头（由静能头变 来）。 增大空腔内局部阻力，使气流进入空腔时动能尽量转变 为热能而不是转变为压力能。 增加密封片数，以减少每个密封片前后的压力差。 （3）迷

8、宫密封的特点 迷宫密封是非接触型密封，无固相摩擦，不需润滑， 并允许有热膨胀，适用于高温、高压、高速和大尺寸密 封条件。 迷宫密封工作可靠，功耗少，维护简便，寿命长。 迷宫密封泄漏量较大。如增加迷宫级数，采取抽气 辅助密封手段，可把泄漏量减小，但要做到完全不漏是 困难的。 2）主要尺寸参数及材料 （1）主要尺寸参数 齿数齿数Z：轮盖一般取46；轴封一般为Z=712。 梳齿间隙梳齿间隙：最小径向间隙一般可取为0.4mm。 梳齿节距梳齿节距：相邻两齿间节距与齿隙之比一般为26。 梳齿顶应削薄并制成尖角，这样既可减弱转轴与密封 片可能相碰时发生的危害，又可降低漏气量。 梳齿密封应与转子同心，偏心将增

9、大漏气量。 2）主要尺寸参数及材料 （2）迷宫密封片材料 在旋转的迷宫密封中，一般迷宫密封片装在静止元件 上，为了防止高速转动时，由于转子振动等原因而引 起密封片与转子相碰而损坏转子，通常要求采用硬度 低于转子的密封片材料，如铝、铜等。 原则上材料配对是一硬一软；如果采用了硬梳齿（如 整体制造的梳齿），则采用软材料衬套；如果采用硬 材料衬套，则装配软材料密封片，以免摩擦生热或产 生火花引起烧损或爆炸。 迷宫密封材料可用铸铝、铸铜、硬质合金等。 7.3 螺旋密封螺旋密封(又称粘性密封又称粘性密封)* 螺旋密封是一种利用螺旋反输送作用，压送一种黏性流体 以阻止被密封的系统流体泄漏的非接触密封装置。

10、所压送 的起密封作用的黏性流体一般为液体，而被密封的流体可 以是液体也可以是气体。 7.3.1螺旋密封的密封机理 图 7-14 螺旋槽密封的基本原理 图 7-15 螺旋密封泄漏流和反输送流特性 7.3.1螺旋密封的密封机理 图 7-16 带中间封液的螺旋密封 7.3.2螺旋密封方式、特点及应用 利用被密封介质作密封液体 利用被 密封介 质作密 封液体 密封液采用被密封介质。螺旋槽为一 段、单旋向。当轴旋转时，充满在槽内的 液体产生泵送压头，在密封室内侧产生最 高压力，与被密封介质压力相平衡，即压 力差p=0，从而阻止被密封介质外漏 用于密封液体或气液混合物，压力小于 2MPa，线速度小于 30

11、m/s 的场合，如石 油工业输送黏度较大的原油、渣油、重柴 油、润滑油的各种离心泵上。以及核工业 和宇航技术领域。 7.3.2螺旋密封方式、特点及应用 利用外供液体密封： 7.3.2螺旋密封方式、特点及应用 气体或密封真空： 图 7-17 螺旋密封的赶油方向 7.3.3螺旋密封设计要点 （1）赶油方向：设轴的旋转方向从 右向左看为顺时针方向。如欲使赶 油方向向左，当螺纹加工于轴上时， 则应为左螺纹；当螺纹加工于壳体 的孔内时，则螺纹方向应与前者相 反，应为右螺纹。 7.3.3螺旋密封设计要点 （2）密封间隙 螺旋密封的间隙愈小，则对密封愈有利。如果间隙大，则 液体介质不能同时附着于轴与孔的表面

12、上。若液体介质仅附 着于孔壁而与轴分离，则螺旋密封不起赶油作用，即密封无 效。为了尽可能减小此间隙，但又避免轴碰到壳体上的孔壁 而磨坏，在壳体的内孔表面涂一层石墨，这样万一轴变形而 碰到壳体孔壁时，将仅仅刮下一些石墨，而不至产生金属接 触摩擦。 （3）螺纹型式 螺纹型式有普通三角螺纹、锯齿形螺纹、梯形螺纹、半圆 形螺纹、矩形螺纹。螺纹的头数可以是单头，也可以是多头， 但对于转速较低的螺旋密封，最好选用多头螺纹。在提高密 封压力方面，三角形螺纹最好，梯形螺纹中等，矩形螺纹最 差；在提高输油量方面梯形螺纹最好，三角形螺纹中等，矩 形螺纹最差，但因矩形螺纹加工方便，所以应用仍较广。 7.3.3螺旋密

13、封设计要点 （4）密封轴线速度 密封轴线速度在一定范围内，加大线速度能提高密封 性能或减小密封浸油长度，但超过一定速度时，密封发 热，使温度升高，由于轴的搅动，大气中的空气混入， 降低密封性能，所以螺旋密封宜使用在线速度小于 24m/s的场合。 （5）轴与轴孔的偏心 当偏心量微小时，对密封液层流状态影响不大；但偏 心量较大时，螺纹与孔之间的间隙一边会很宽，另一边 会很窄，造成流动阻力不同，泄漏会在宽间隙一侧产生， 同时降低密封的使用寿命。 7.5 气膜密封(gas film seal, dry gas seal)* 一一台典型的透平压缩机包含两个介于轴承之间的集装式干气密封。台典型的透平压缩机

14、包含两个介于轴承之间的集装式干气密封。 干气密封是20世纪60年代末期在气体动压轴承的基础上通过 对机械密封进行根本性改进发展起来的一种新非接触式密封， 实际上主要就是通过在机械密 封动环上增开了动压槽以及随 之相应设置了辅助系统而实现 密封端面的非接触运行。 1）气膜密封结构及工作原理 图 7-27气膜密封的结构 1-弹簧座；2-弹簧；3-静环；4-动环；5-密封圈；6-轴套 2）气膜密封结构及工作原理 旋向旋向 气体向中心泵送气体向中心泵送 气体受压，压力升高，产生间隙气体受压，压力升高，产生间隙 密封坝密封坝 圆弧槽泵送原理圆弧槽泵送原理 气膜厚度一般在3微米左右 正常间隙 间隙增大 间

15、隙减小 气膜刚度：气膜开启力的变化与膜厚变化的比值。 气膜刚度越大，密封工作越稳定。 o Z dF K dh 非接触密封气体膜厚与刚度关系 2）气膜密封结构及工作原理 旋向旋向 气体向中心泵送气体向中心泵送 气体受压，压力升高，产生间隙气体受压，压力升高，产生间隙 密封坝密封坝 双向槽泵送原理双向槽泵送原理 （1）密封结构参数 a. 密封端面动压槽形状 单向槽与双向槽的比较 1.单向槽：圆弧槽、螺旋槽、V形槽 优点：动压效应强，气膜刚度大，抗外界扰动 能力强。 缺点：不能反转。 2.双向槽：枞树、T、双L 优点：可以长时间反转； 缺点：较单向槽动压效应弱，气膜刚度小，抗 外界扰动能力较弱。 3.推荐：优先采用单向槽，特殊情况双向槽。 b. 密封端面动压槽深度 理论研究表明，气膜密封流体动压槽深度与气膜厚度 为同一量级同一量级时密封的气膜刚度最大。实际应用中，气 膜密封的动压槽深度一般在310m。在其余参数确定 的情况下，动压槽深度有一最佳值。 c. 密封面动压槽数量、宽度、长度。 理论研究表明，气膜密封动压槽数量趋于无限时，动 压效应最强。不过，当动压槽达到一定数量后，再增 加槽数时，对气膜密封性能影响已经很小。此外，气 膜密封动压槽宽度、动压槽长度对密封性能都有一定 的影响。 （2）操作参数对密封泄漏量的影响 密封直径、转速对泄漏量的影响密封直径、转速对泄漏量的影响。密封直径越