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密封
轴封及齿形密封的计算
轴封装置的功能:
保证正常运转时可靠和有效,而且保证设备启动和停车时候同样有效。
分为:
1.内密封(级间密封)包括:
轮盖密封;隔板密封;密封环(小型);密封室(大型)2.外密封(轴端密封)
影响因素:
两侧压差;密封面的大小;间隙大小;间隙长度。
轴封的型式:
在离心式压缩机中,可供选择的密封型式基本上有四种:
迷宫式密封,阻尼环密封(圆
碳环),机械密封,液膜密封。
一.迷宫式密封
1.梳齿形:
小间隙+大空腔节流:
压力能-动能-热能,不能实现零泄漏非接触式不消耗功率
直通式平滑式):
如图6a所示。
它由许多安装在固定环上的薄密封片组成。
固定环严格规定了薄密封片的位置,并使薄密封片顶端与轴之间保持一个很小的间隙。
迷宫密封的效果,取决于间隙或薄密封片与轴表面之间的距离。
这个间隙(密封处)一般为轴径的千分之二。
封片之间的空间用来直接阻滞从一个密封片的开口到下一个开口的流动。
增加密封片的数目,以及使气流在密封片之间的空间产生烈旋涡,使其动能全部消失,可以提高密封效果。
但是密封片的数目也不能太多,因为密封片太多,将使轴向尺寸加大,而且增加一定程度,密封效果增加并不显著。
图a所示的结构虽然简单,但效果较差。
交叉式b或阶梯式c:
以代替直通式流动方式。
这就增加了迷宫对气体流动的阻力,但也增加了制造费用和引起一些装配问题。
交叉式(高低齿+凹凸槽)需要有一个水平剖分的环,以便于装配。
这意味着安装环的壳本也必须是剖分的。
阶梯式将增总直径,可以用整体环座,因而密封进口就有一个较大的气体通道截面积,主要用于轮盖密封。
嵌入式:
图d它与一般的迷宫密封不同之处,在于密封片不是装在固定环上,而是在轴上加工出一些刀刃,并被装配成有负的间隙(刀刃嵌入固定环内)。
当轴旋转时,刀刃与固定环(由软材料作成)之间就产生一定的间隙。
在迷宫密封中所选择的轴同位置上,利用扩大了的环形口,并把气体充入迷宫中,或将泄漏气体在漏至大气之前从中抽出,这就是充气式密封(图2)和抽气式密封(图3)。
2.充气式密封:
压縮机压缩有毒气体,混入少量其它气体是允许的。
防止毒气外0其方法如图6所示。
密封气可为空气、氮气或其它合适的气体。
先将密封气通过凤机1加压,而后通过干燥器2通至密封外胫4。
密封气压力调节器3控制压强。
密封气通过密封片泄入内腔5,然后引入吸气室7。
内腔5的压通过压力调节器6来控制。
有毒气体及密封气将通过管道8流入吸气室7。
一部分密封气将由外腔4泄至机外。
调节器3保证密封气高于大气一定的压力,以保证密封作用。
调节器6保证内腔5的压力低于大气压力一定值。
3.抽气密封:
气体不会泄至机外,空气也不会进入机械。
这种装置需要一个空气源或蒸汽源。
将蒸汽通过引射器1,造成低于大气压力的抽气装置。
这样,密對外腔2的压力将低于大气压力。
空气及有毒气体的混合气,通过管道7,被引射器抽到室外。
内密封腔3及4,通到吸气室5。
引射器的压力必须低于内腔3及4的压力,即低于吸气室5的压力。
压力调节器6,控制外腔2的压力,这样有毒气体就不会泄到机外。
迷宫密封的基本型式
直通式b)交又式0梯式凸嵌入式
图2充气式密封
1一风机2一干燥器3、6一压力调苓4一外腔
6一内腔1一吸气8一管道
图3抽气密封
1一引射器2外3、一内腔5一吸气室
6一压力调节器一管道
4.抽气和充气联合密封置:
如图4所示的。
密封气可以从靠近机器内侧的气腔充入,并且较机器内部
的压力高一个受控制的压力差。
充入的气体取代被压缩的气体而向大气泄漏。
如呆不希望泄漏发生在直接靠近机崇的大气中,那么,第二个气腔就与一个外部的排泄系统联接,并把泄漏气体带到一个安全的或适当的地方。
依靠适当地控制抽气室的压力,一定量的空气泄漏量也可以通过外密封片抽出。
5.蜂窝式密封:
它由厚约为0,2毫米的不锈钢片,焊成蜂窝状密封片。
密封片则焊在密封休上:
这种密封主要用于平衡盘上,密封的效果较好,减振效果好,不对轴产生摩擦,泄露量小,对轴有软性支持,抑制转子的气流激振。
图4;抽气一充气密封
、阻尼环(石墨环)密封
在某些情况下,迷宫密封不能满足要
做为改进措施、采用如图所示的阻尼环密封。
它由一组石墨环成,每个着墨环分别装在密封盒内,在石墨环的背曲有弹簧片,使石墨环的端面与密封盒貼紧,防止端面漏气。
其摩
擦力还可以防止石墨环转动。
石墨环内径与轴外径之间有一个很小的间隙(约为0.1~c,14亳米)。
依靠这个小间隙对气流流动的阻力起到密封作用。
因为它是在干燥情况下使用的,无油润滑,而且石墨环与轴直接接触,因此必须采用高密度石墨环和高速钢轴套。
这种密封的着墨环可以做成整体的,也可以是分段的,图6一6所示为分段式着墨环。
石墨耳外缘的弹簧,用来补偿石墨环的磨损,以及在环发生突然破坏时,维持这个组合体。
石墨环与密封盒没有刚性联接,故能随轴自由浮动,因此,轴的微小偏心跳动或不大的弯曲变形不会影响密封性能。
所以有时也称这种密封为石墨浮动环气封。
与迷宫式密类以,这种密封也有两种工作方式:
一是采用充气或抽气式,一是不采用充气或抽气式。
前者可以防止气体外漏,但需要用一套自控系统。
后者简单,但泄漏较大。
阻尼坏密封用于比迷宫密封高的压力,约为3.5公斤/厘米。
阻尼环的磨损与泄漏气体的洁净度有关,它对气本中尘粒的容许程度比迷宫密封低,因而它的应用就受到限制。
、液膜密封
最筒单的液模密封如图6一7所示。
它是为适应更高的使用条件而发展的一种密封形式。
它的二作原理,于体通过轴与套筒之间的狭窄间隙中,产生的节流作用,限制流体的轴向泄。
在图6一7的结构中,密封是由两个套篙组成,套筒与轴之间倮持很小的间隙,在套筒之间注入液体,使之流到密封两端。
在大气侧的密封套简较内侧的套筒要长,因为在大气侧环有一个较大的压力差,要求阻止封液体向大气的漏。
密封液付·通常为润滑油(也可采用水),以高于内邙气零压力的压力注入两个套筒之间,从而阻止气体仙向泄漏出去。
密封液体也起润滑套筒和把热量从密封区带走的重要乍
固定套簡密封
它是安装在一个固定壳体上的水平剖分环,类以于一个轴
承的作用。
但是从转子的临界转速杉虑,并不希望它起轴承的作用。
同时,为了避免在压缩机启动和停车时,轴与套筒的有叾接触,以及限制的运动,所以轴和套簡之间的间隙,必须火于压练机径向轴承的间隙。
换句话说,就是必须有较大的间隙。
其结果是泄漏或通过内侧套环的汕量就比较大。
为了能够在同样的密封间隙下造成较大的流动力,可以采用加长套簡或者在套筒内圆开旋槽的方法,以达到减少泄漏的目的。
但是对于压缟机来说,
特别是高压比压机.加长密封套筒,常常与要求机器紧凑和容许的在界转速不相符合。
在有的压缩机中,并不设计专门的油封结构.而是把固定套筒密封与径向轴承合在一起,组成一个密封一轴承组合体。
其中每个套筒都作为径向轴承的一部分使用。
通过轴承的
泄油,起到阻止气体外漏的作用。
轴承套简(也是密封套簡)两侧具有不同的压差,一侧为密封气室压力,另一侧则与大气相通。
每个套筒的长度(见图6一8)与套筒所承受的降成正比。
这种结构对于缩短跨距,紧凑机器,及控制临界转速和轴的挠度都是有利的。
此外,密封汕和润滑油还可以共用一个油系统,从而使系统简化。
2.浮动环密封
浮动环密封没有固定套笥密封那些缺点,它有较大的流动阻力和较小的径向间隙。
浮动环的间隙与轴承间隙无关,并且能完全随轴运动。
适合大压差,高转速情况。
图6一所示为浮动环密封的工作简图。
它由高压浮动环和大气侧浮动环组成。
一骰高
侧浮动环是一个,大气1则浮动环是几个,由压力大小决定的。
密封液体以略高于内部气体的压力(通常这个压差控制在u,5公斤/厘米2左右),由密封汕进油口注入密封体中。
密封液体远过大气侧和高压侧的浮动环与轴之间的间隙,沿轴向向左右两端溢出。
图中4为高压侧浮动环,右侧的三个环则为大气侧浮动环。
经过高压侧浮动环流入高压端的液体,通过挡板6及甩油环了,由混合腔中排出。
这部分油是少量的,因为压差小。
而通过大气侧浮动环流出的密封液则是大量的。
浮动环是活动的,当轴转动时,由于在偏心圆柱间隙中产生的流体动压力而将浮动环浮起,自动对正中心,形成液体摩擦状态。
为了防止浮动环转动,可加防转销钉3。
流至低压端的密封液体,由大气侧排油口排出,经过回油管回油箱,这部分油没有同气体接触过,因此是干净的,而从高压端油气混合腔12流出的则是液体与气体混合物需要进行恃硃处理后,方可继续使用,或者将气体放空。
在正常工作情况下,浮动环与轴不会
发生磨损,也很安全。
由于它具有自动对正中心的优点,因此它的间隙可以做得比机器的轴承间隙丕小,泄漏量也就大大减少。
所浮动坏密封特别适合于大差,高转速的情况。
1一*气,环2一间隔环9一防转钉4一高玉蒯浮
动1不5一轴套6一挡板7一甩油环
根据浮动环的外形和结构,基本上可以将离心压机中所采用的浮环分成两种类型:
图6一10a示的宽浮动环(L形环)和图6一10b所示的窄浮动环(矩形环)
宽浮动环(左):
相对宽度(浮动环节流长度与内径之比)较大,D:
工4~0.6。
在一定的压差和泄漏騷时,彼此相接的环的数目可以用得少些,这样可以使密封的总沐结构简化。
窄浮动环(右):
与宽浮动环相比,它的相对宽度较小,丨/D一0.1~工2。
由于节流长度小,流体动与的作用力也小,每个浮动环所能承担的压差要比宽浮动环小。
因而在相同压差福泄漏量的蒲况下,彼此相接的浮动环数目要些。
在浮动环密封的设计中,应当考虑的主要问题有,
1)尽可能减少密封液体通过高压侧浮动环的内泄漏量;
2)降低高压侧浮动环的温度至容许以下;
3)在保证有较低的泄漏而又不发生氵孚动环与轴摩擦的情况下,提高浮动环的寿命和延
长使用周期。
b)
限制密封液体流到压缩机内的措施有:
一种是减小高压侧浮动环的间隙,以限制通过高压侧浮动环的内泄漏量。
但是,间隙减小到一定程度,就受到许多限制。
这时在殳计上的一个重要改变,是利用县有动力抽吸作用的密封来限制这个泄漏。
图6一11所示为利用一个相对于轴的套环具有较大间隙的锥形环代替直筒式内侧环。
当密封油企图通过这个锥形通道时,这个锥形的动力抽吸作用,起到叶轮的作用,趋向于阻止油的流动,而且把泄漏降到最低。
另一种降低高压侧泄漏量的浮动环是采用螺漩槽型环,当轴转动时,螺旋型具有一种与正常的油流动方向相反的抽吸作用。
槽的尺寸应当这样来确定:
使在轴向型槽宽度的某部分上,产生与压差相等的压力,结果在开槽部分的长度内,建立起油一气分界面,以致不产生漏油。
如设计得好,漏油量降低接近到零是可能的。
但是实验表明,这种油一气分界面具有不稳定性。
关于在浮动环密封中所产生的热量和冷却问题,在大气侧的浮动环间隙中产生的热量是不成问题的,因为油总是在间隙中流动,而且流量很大。
所以实际上通过大气侧浮动环的油的温升比较小。
严的是高压侧浮动环的冷却问题。
因为通过高压侧浮环的油量很小,因而帶走的热量极少,造成高压侧浮动环的温度较高。
为了改善高压侧浮动环的工作条件、降低温度,通常采用的办法是在结构上使冷油首先通过高压环的上部以达到冷却的目的,如图6一13
要高压侧浮动环在具有最小间隙的情况下,且与轴不发生摩擦,就必须使浮动环能跟踪轴的运动而运动,也就是说在设计时,同样需要考虑浮动环的动力学问题。
四、机械密封(干气密封)
机械密封是一种接触式密封,它与液膜密封的主要区别,是在这个密封中,密封面处的间隙减小到零,密封面垂直于轴而不是平行于轴。
机械密封的主要部件是动环、静环、弹簧、辅助密封件、密封腔体等。
密封的核心是一个安装在旋转和置定的密封座之间的自由动的石墨环2。
弹簧4和流体压力用来维持它们之间的持续接触。
石墨环的转速约等于转轴转速的1/2。
密封中的配合面经过研磨,以保证最大的接触表面和最小的泄漏。
机械密封中通过圊定环的漏油,要低于液膜密封。
这种密封的特点是具有自动闭锁装置和供油系统简单。
在开车和停车期间,当密封液体压力下降或消失,通过安装在密封腔壁上的活塞乍用,仍能维持内部气体的压力。
由于采用较高的差压操作,可以容许密封产生较高的内部压力波动,没有漏气通过密封而,并且使差压调节失灵的危险较小,因而不需要高位油槽。
图14所示的密對,主要敝为停车期间的一个绝对密封,但也可以在轴旋转时使用,这就以密封环的磨损为代价。
根据使用条件,正确选择机械密封各个零件(特别是磨擦副)的材料,对于保证机械密封运转正常,提高使用寿命具有十分重要的意义。
摩擦副材料一般是选择软一硬种耐磨材料配对使用。
高速机械密封所面临的问题是线速度高、
摩副发热较大,磨攒和振动较大。
因此,在这种情况下,机密封结构设计的重点应是加强端面的润滑、冷却和满足动平衡的要求。
对于高压高速的机械密封,还可以采取流体动力密封和流体静力密封,前者利用摩擦面上所开的矩形槽和懊形槽等·在转动时形成动压润滑液谟,能有效地减少密封环的硬性接触压力,摩擦系数和摩擦副温度,以提高速度极限和冷却效果。
后者是利用开在静环或动环上的许多小孔或槽,将压力浊引入摩擦面而形成压力液,并与流体压力所产生的轴向力相对抗。
五:
其它密封方式:
1.填料密封:
不能做到零泄漏,不能用于有害工质的密封,可靠性差,轴易磨损,消耗功率。
2.磁性密封:
磁力传动密封;磁流体密封(在泄漏通道注满磁流体)
3.串联密封:
第一组承担主要任务,第二组辅助密封,第三组备用密封。
漏气损失的计算:
1、密封的工作理和构型式
:
当气流通过梳齿形密封片的间隙时,气流近似经历理想节流过程,其压力和温度都下降,而速度增加。
当气流从间隙进入密封片间的空腔时,由于截面积的突然扩大,气流形成很强的旋涡,从而使速度几乎完全消失,而压力不变,即等于间隙中的压力,温度回复到密封片前原来的数值。
气流经过随后的每一个密封片间隙和空腔,气流的变化重复上述过程。
所不同的是由于气流比容逐渐增加,在通过间隙时的气流速度和压力降越来越大。
由此可见,当气流通过薹个密封时,压力是逐渐下降的,最后趋近于背压;而温度保持不变。
若密封前后的速度相等,由能量方程(CpT+Ac2/2g=const)则温度相等。
通过密封间隙的漏气量与间隙的截面积和间隙前后的压力差成正比,所以要得到好的密封效果,一方面要尽量减小间隙的截面积,另一方面,间隙密封间隙前后的压力差,方法有:
增加密封片数;让气流从间隙进入空腔时,促使其产生强烈的旋涡,使气流速度全部消失,压力不再回升。
a为整体式梳齿密封:
密封圈径向尺寸比较小b,c,d为镶嵌式梳齿密封:
其中d的效果最好,因为气流过这种密封片时,气流速度几乎全部消失。
妲是这种密封对于轴的加工和装配要求都比较高。
在压缩机中最广泛采用的是b、c型式的镶嵌式密封结构。
这二种密封形式的密封效果也比较好,其中c结构所占轴向尺寸比b结构的型式为小。
还可以做成光轴形式,但是效果较曲折形差,因为通过这种密封片的气流速度不能很好的消失,直吹效应明显,且z越多,越严重。
轮盖密封,可以采用台阶式,有时候为了缩短轴向尺寸也可采用密封片径向排列的形式。
二:
密封漏气的计算(梳齿形):
总压比大小,密封结构形式,齿数z,间隙截面积;膨胀腔大小
1.所有间隙中气流小于音速时:
假设流动是无损失的绝热节流膨胀过程。
当密封片很多时,每个间隙的压力降很少,这时,在每一个间隙中气流的可压缩性就可以忽略。
且在每个间隙中所获得的动能在随后的空腔中全部转化为热量,这样温度不变。
考虑到气体膨胀时摩擦而引起的损失和气流通过间隙时有效的流通截面积的减小,以及气流在间隙中所获得的动能并不能完全在随后的空腔中全部转化为热能,而有一部分转化为压力能升高等,引入修正系数,得漏气量的计算公式:
2.气流出现音速时:
由于p减小,T不变,则密度减小,超音速最先发生在最后一个齿。
3.临界压比的计算:
4.泄漏系数的确定:
平滑形的漏气量较曲折形大。
5.轮盖密封的计算:
轮盖与固定元件间隙中的气体,也受到轮盖旋转的影响,作旋转流动。
在这种旋转流动的离心力的影响下,会使轮盖密封的压力差减少得到轮盖密封前后压差为:
漏气量的计算公式为:
通过叶轮的气体重量为:
叶轮漏气损失系数为:
查图:
3.密封设计中应该注意的问题:
1.为了使梳齿状密封具有良好的效果,除了轮盖密封齿数(z=4一6)较少外在一般
密封结构中,齿数Z应不少于6。
但也不宜采用过多的齿数,过多的齿数将占有较长的轴向尺寸,而对于泄漏量的进一步降低作用不大。
密封齿数一般不超过35片。
2.梳齿的最小径向间隙s,一般可取为0.4毫米左右,也可按下式计算
s=0.2+(0·3~0·6)D/1000一一(毫米)
式中D一一密封直径(毫米)
3.梳齿顶端朝向气流来流一边,最好做成尖角形式,如果作成圆角形式,会使泄漏量增大。
4.
梳齿顶端的厚度尽量削薄。
这样,一方面可以减少泄漏量,同时也可以降低转子与梳齿相碰所出现的事故。
5.应注意梳齿密封与转子的同心,否则会引起泄漏量的加大。
6.梳齿顶高与节距之比,比值太小密封效果差。
7.对于高压压缩机,泄漏量可用下式计算:
8·通过隔板与轴之间的密封漏气G,一般并不单独计算,而是考虑在固定元件的损失中。
四:
计算实例:
1.计算离心式压缩机级叶轮的漏气损失系数:
叶轮外径:
D2=0.452m;
叶片出口宽度:
b2=33mm;轮盖密封直径:
D=0.28m;流量系数:
叶片进口直径:
D1=0.252m;比容比:
叶轮出口阻塞系数:
2.迷宫密封计算实例:
已知某空气离心鼓风机的轴端密封,被封介质压力P0=2x10^5Pa,温度t0=20℃,轴端低压侧为大气环境,密封直径d0=150mm,试确定:
密封形式,主要结构参数,和计算泄露量。
解:
工质为空气,压力不高,选用迷宫密封,为提高效果,适当增加齿数,考虑到加工,安装,维护方便,选用直通形
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