离心压缩机轴封的发展和使用现状分析

word文档 可自由复制编辑 离心式压缩机干气密封系统浅析

1 干气密封简介

目前国内外石油化工行业普遍使用离心式压缩机来输送各种气体，主要是因为运转周期长、性能稳定。实际生产要求离心式压缩机在高转速、大气量、大压力，尤其是在压缩易燃、有害、有毒气体的条件下工作，为了防止这些气体沿压缩机轴端泄漏至大气中，就必须采用各种密封方式，保证压缩机的正常工作，保证人身和设备的安全，防止造成环境污染，同时也决定了密封装置向高密封效率、低能耗的方向发展。

在压缩机领域，轴端干气密封正逐步替代迷宫密封、浮环密封和油润滑机械密封[1]。对密封的基本要求是要保证结合部分的密闭性、工作可靠性、使用寿命长，密封装置的系统简单、结构紧凑、制造维修方便。衡量密封好坏的主要技术指标是泄漏量、寿命和使用条件[2]。

干气密封是一种新型的非接触轴向密封，由它来密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封方式相比，干气密封具有泄漏量少，寿命长，能耗低，磨损小，维修量低，操作简单可靠，被密封的流体不受油污染等特点。

目前，干气密封主要应用在离心式压缩机上和轴流压缩机、透平膨胀机上。干气密封已经成为离心式压缩机正常运转和操作可靠的重要元件。

2 干气密封工作原理

word文档 可自由复制编辑

图1 动环端面结构示意图

干气密封是由动环、静环、弹簧、密封圈、弹簧圈和轴套组成。动环和静环配合表面的平面度和光洁度很高，动环面上加工有一系列的螺旋形流体动压槽，槽深仅有几微米，外深内浅，如图1所示。干气密封在非运转状态时，动环与静环的密封面靠弹簧力贴合在一起。运转时，气体随着动环的旋转，被吸入动压槽内，被送到螺旋槽的根部，根部以外的一段无槽区称为密封坝，即动压槽末端没有通道。螺旋槽间为密封堰。密封坝和密封堰起到节流和密封的作用。

word文档 可自由复制编辑 密封坝对气体产生阻力作用，被吸入的气体就被压缩，在密封面上产生动压力。在该密封坝的内侧还有一系列反向螺旋槽，起到反向进气、改善配合表面压力分布的作用，反向螺旋槽内侧也有一段密封坝，对气体产生阻力作用，从而增大气膜压力。在以上压力的作用下，动环与静环之间的密封面被推开，流动的气体在密封面间形成一层很薄的气膜，该气膜使介质泄漏通道阻塞。

【行业趋势】离心压缩机发展过程与趋势

中国空压机网 微信号：kongyajiwang 压缩机作为化工行业生产的心脏设备，其技术的更新将直接关系到化工行业的发展变化。而中国化工行业日新月异的技术进步，也同样为压缩机制造业的技术发展提供了更加广阔的空间。传统的压缩机为活塞式（又称往复式）压缩机，20世纪五、六十年代占统治地位；近代的透平式压缩机（离心式、轴流式压缩机），因易于与工艺密切配合，较充分利用能源，因而发展迅速。基于此，本文将针对离心压缩机近些年的发展及未来趋势做出介绍。

压缩机作为化工行业生产的心脏设备，其技术的更新将直接关系到化工行业的发展变化。而中国化工行业日新月异的技术进步，也同样为压缩机制造业的技术发展提供了更加广阔的空间。传统的压缩机为活塞式（又称往复式）压缩机，20世纪五、六十年代占统治地位；近代的透平式压缩机（离心式、轴流式压缩机），因易于与工艺密切配合，较充分利用能源，因而发展迅速。基于此，本文将针对离心压缩机近些年的发展及未来趋势做出介绍。

与生产紧密关联的发展历程

我国离心压缩机有2次大的发展过程，都与近代工业生产密切有关。一次是20世纪七、八十年代，我国从国外大规模引进石油化工成套装置，其中最大的一次，引进化纤、乙烯、氯乙烯、大化肥、烷基苯等20余套生产装置，总计人民币137亿元（当时全年的基本建设投资约为400亿元）。同时，为保障引进设备的安全运行和备件供给，特地配套引进具有世界先进水平的离心压缩机及其配套驱动机项目。此举大大促进了离心压缩机组的发展，形成了一批与工艺密切配套的专用压缩机。其代表性的机组是大化肥装置中的“五大机组”和乙烯装置中的“三机”。实际上，石油化工的产品很多，因而压缩机的品种也很多，表1列出了部分石油化工装置中常用压缩机组，图1为相应的石油化工行业产品链。 从2002年下半年开始至今已有十多年，离心压缩机又经历了一次高速、稳定的发展时期，年平均增长在25%以上。此次发展不同于上次突击性的引进，而与我国重化工业推进的速度有关。据经济学家分析：我国的工业化目前尚处于上升时期，至少在2020年之前，中国工业重型化的趋势是不可避免的。因此，原料和原材料工业仍处于快速增长期，作为关键设备的机泵产品将长期需求。但因国际、国内多种原因，其发展速度不可能像前几年那么快。如果继续维持略高于90年代的发展速度（90年代的平均增长为10%～12%），则平均增速可望达到15%左右。

由于对密封理论及实用技术掌握得不好,在密封的选型及对实际问题的处理当中,经常会出现一些问题,最终导致密封失效,介质泄漏, 装置停车停产, 企业效益严重受损。为此本文针对离心压缩机的密封技术进行了探讨。

目前国内外石化行业普遍用离心压缩机来输送各种气体。为了防止或限制这些气体沿压缩机旋转轴端部泄漏到大气中去, 就必须采用各种轴端密封装置, 以便维持主机的正常运转,

降低物料和能源的消耗, 防止环境污染和保证人身及设备安全。离心压缩机所采用的密封通常有四种形式, 即迷宫密封、浮环密封、机械密封和干气密封。

1 迷宫密封

迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程( 压力能转化为动能) 和密封空腔中的动能耗散过程( 动能转化为热能) 实现密封。迷宫密封结构简单、安装操作方便, 辅助设备少, 一般允许压缩机内的介质微量漏到大气中去, 而且只适用于低压介质密封。

首先, 以空气为介质的压缩机绝大多数采用通过节流来降低泄漏的迷宫式( 梳齿式)密封,

这是因为空气既无任何危险又非常廉价, 其泄漏量的大小只是影响主机的效率即能源的消耗。因此, 对迷宫密封的主要研究方向是如何加强节流功能以降低泄漏量。利用强化节流效应来降低气体泄漏量的蜂窝密封或刷式密封, 也可以看作改进型的迷宫密封。其次, 压缩氮气、二氧化碳等“中性”气体的压缩机也可以采用迷宫密封, 但由于其价值远较空气为高,

故在某些大型化肥厂采用气膜螺旋槽密封,其目的是降低物料和能源的消耗。

石化行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封是迷宫式密封。但是由于这类密封运行维护费用高, 污染环境等原因, 在80 年代基本都被浮环密封代替。

2 浮环密封

浮环密封是液体密封的一种, 它是从固定套筒式油封发展而来的。浮环就是处于转轴上, 位于浮环密封腔内的两个与转轴具有较小间隙的圆环。封油注入浮环密封腔后, 沿浮环间隙向内浮环内侧和外浮环外侧泄漏。由于转子处于高速旋转状态,流入浮环间隙内的封油, 在旋转轴的作用下形成了具有一定承载能力的油膜。该油膜一方面将浮环抬起, 使浮环与轴颈间实现液体润滑, 从而减轻摩擦、降低磨损。另一方面, 由于油膜充满了整个浮环间隙, 所以阻止气体介质外漏, 从而起到了密封的作用。浮环密封是压缩危险性工艺气体的离心压缩机轴端密封的传统型式, 到目前为止, 在各种实际应用的密封型式中仍然占据主导地位。从发展历史看, 这种密封是替代迷宫式抽充气密封的新一代密封。

离心压缩机发展研究报告

近些年来，随着科学技术的飞速发展，离心压缩机因其可靠性高、体积小、质量轻等诸多优点而在航空航天、能源动力、石油化工及冶金等行业日益发挥着极其重要的作用。一直以来，离心压缩机内部流场的研究引起了国内外专家学者的关注。

1、发展历史与现状

1.1发展历史

18世纪初期，Papin给出了最早的离心式叶轮机械的设计方法，在他出版的著作中介绍了离心泵的设计方法。从那以后，离心式叶轮机械开始逐步得到发展。

19世纪，离心式压缩机伴随着叶轮机械理论的发展而得到了迅速的发展。在这一时期，LeonhardEular建立了叶轮机械中的基本能量方程；Lazare Carnot指出在叶轮进口流体应光滑顺利的流入叶轮，即零攻角状态，他还指出为了获得高效率应减小叶轮出口动能。这一阶段的标志性成果是离心压缩机中开始使用有叶扩压器。

从20世纪开始至今是离心压缩机技术迅猛发展的时代。在这一时期，产生了对离心压缩机发展具有划时代意义的理论和方法。正是这些理论和方法的诞生，使得离心压缩机在全世界范围内得到了极为广泛的应用。1930年，Frank Whittle申请了他的第一项专利，在国际上首次应用了双向进气单级离心压缩机，这个离心压缩机由轴向透平驱动。采用双向进气不但可以避免在转子进口叶尖产生超音速流动，而且可以减小轴向推力。从那时开始，Frank

Whittle就将目标瞄准单级压比达到4，而此前单级压比最高值只达到2.5[7]。

离心压缩机因为受旋转、曲率及粘性等诸多因素的影响及相互作用而使其内部流动表现为相当复杂的非定常、有粘性的三维湍流流动。但在早期，因为三元理论及计算手段的缺乏，使得离心压缩机的设计主要采用几何设计或二维气动设计方法进行。20世纪50年代，我国著名的科学家吴仲华教授提出了对离心压缩机发展具有划时代意义的两簇流面理论，奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础。他首先提出叶轮机械叶片通道内的三元流动可以看作是两类相交的流面（S1、S2流面，S1流面为是从一个叶片到相邻叶片之间的周向扭曲流面，S2流面是从轮毂导轮盖的径向扭曲流面）之和，这样就可以把一个复杂的三元问题转化为两个二元问题，从而使计算简化。随着吴氏三元理论的提出，离心压缩机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气动设计方法转变。许多国内外专家学者利用这一理论对离心压缩机进行了研究并取得了许多有益的成果[8]。