双向旋转式非接触机械密封技术研究进展

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非接触式机械密封指由于流体静压或动压作用，在密封端面间充满-层完整的流体膜迫使密封端面彼此分离，而不存在硬性固相接触的机械密封。这种密封在解决高压或易汽化介质环境中普通接触式机械密封面临的密封端面得不到良好润滑，常出现严重的摩擦磨损或热裂问题上发挥了积极作用。

根据旋转方向，非接触式机械密封可分为单收稿日期： 2012-10-23 修稿 日期： 2012-11-22项目基金： 江苏省 自然科学基金资助项目(BK2010074)；江苏高衅研成果产业化推进资助项目(JH10-16)；江苏省研究生培养创新工程资助项 目(CXZZI20525)；教育部博士点专项科研基金项目(20113204120012)2013年第 41卷第 3期 流 体 机 械 35向旋转式和双向旋转式。槽型结构的非对称性，使得单向旋转式非接触式机械密封只能在正转时工作，而在反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，使得人们更加关注双向旋转式非接触机械密封的研究。

目前，双向旋转式非接触机械密封主要有：T型槽机械密封，圆弧槽机械密封，多孔端面机械密封等。由于槽型的作用，这3类非接触式机械密封均具有-定的动压效应和正反转工作能力。本文旨在通过对主要双向旋转式非接触机械密封发展概况的回顾与分析，阐明几种典型槽型机械密封的结构特点及性能，揭示其密封机理与动压形成机制，为进-步深化非接触式机械密封的研究，拓展其应用范围和参数水平提供依据。

2 T型槽机械密封T型槽双向旋转式机械密封又称 T型槽干气密封，如图 1所示，其槽型结构是对称的。

(a)整体结构 (b)槽区结构区图 1 T型槽干气密封几何模型目前 ，国外针对 T型槽机械密封的相关研究不多2 J，但美国Flowserve公司对此类槽型机械密封的研究却较为专注 J，并开发 了串联结构的 T型槽干气密封产品(GF-200)。

在国内，针对该类密封的研究主要为理论分析，也有少量的设计应用。在理论分析方面，主要(a)单弧形基于 CFD进行计算机模拟试验，研究问题集中在T型槽干气密封端面压力场分布规律、工作参数、几何参数对密封性能影响等方面。最终结果皆表明T型槽能产生较好的流体动压效果 。2009年，Zhu等就工作参数和几何参数进行了详细的讨论 J，得到了选择工作参数和几何参数的-般原则：槽数应在 12-16之间，槽深应在 4～6 m之间，平衡间隙应在 0.8-1.4 之间。在应用方面，黄绍硕等对应用在某石油企业的加氢裂化循环氢压缩机组上的T型槽串联干气密封进行了优化改进，获得了成功使用 。王鹏针对 BCL-406/A型离心式压缩机采用T型槽干气密封，具有良好的密封效果，有效降低了整个压缩机密封系统的维护强度，延长了维护周期 。2011年，张岳林等提出-种变深 T型槽干气密封端面结构，数值分析表明：与等深T型槽相比，变深结构有更好的气膜承载能力和稳定性u 。2012年，彭旭东等就不同转速和压力对 T型槽干气密封槽型几何结构参数优选值的影响进行了深入研究，进-步为 T型槽在不同操作条件下的实际设计与应用提供了理论依据H 。

至今，针对 T型槽机械密封研究的理论模型相对较简化，理论研究多为单-变量参数研究，优化分析没有把整个密封系统结合起来。T型槽机械密封的工作膜厚为微米级，略高于表面粗糙度，可见表面粗糙度对 T型槽机械密封性能的影响不容忽略；此外，通过有限元分析软件 ANSYS求解可得，T型槽机械密封动静环稳态运行温度不高(67。C左右) ，如何实现其在高温下稳定运行，仍有待于进-步探索。

3 圆弧槽机械密封圆弧槽机械密封是密封端面上开有圆弧形循环槽的-类机械密封，如图2所示。

(b)外压圆环形 (c)内压圆环形图2 3种弧形槽机械密封端面36 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013在国外，Mayer对圆弧槽机械密封进行了大量的研究 巧]，认为其密封机理是热效应和流体动压效应的耦合。1967年，前苏联的 Golubiev首次提出热流体动压密封的完整理论分析模型和方法 16]。1969年，Lymer建立了该类槽型机械密封的简单计算模型，提出了该类密封性能参数的近似计算方法17]。1981年，日本学者大埸宽二，清水忠之通过实验验证了圆弧槽机械密封良好的动压性能 引。1994年，Toumefie等利用有限元法，计算了端面开弧形槽机械密封的性能 J9 J。1997年，Person等采用数值方法研究了该类机械密封的稳态动力学特性 j，指出圆弧槽可以增加端面间的静压力，降低密封环对动压波动敏感性，有利于密封的稳定操作。1999年，Lai对各种槽型的非接触式端面密封进行了论述 。其中表面深槽热流体动压非接触式机械密封，槽型有密封环靠近外圈端面开设半圆形、矩形、月牙形、三角形、菱形及其复合型槽形等。2005年，Papatheodorou研究表明适当增加槽数可提高圆弧槽液膜承载能力 。2006年，Reddyhof等进-步对圆弧槽的槽数和槽深进行优化设计 。

在国内，1986年，关雅贤等对圆弧槽机械密封进行了实验研究 J。白1996年，杨惠霞针对该类密封进行了深入的理论研究，提出了圆弧槽热流体动压机械密封数值计算方法，并据此分析了该类密封的稳态性能 。为了便于工程设计，彭旭东等于 1997年提出了圆弧槽机械密封性能参数的近似计算方法，可以近似计算端面膜压系数和端面温度等性能参数 。自1998年起，通过有限元分析圆弧槽结构变形及温度场的研究报道较多，较全面的分析了稳态工况下圆弧槽几何结构参数对密封性能参数的影响[29-31]。

圆弧槽非接触密封属于深槽热流体动压机械密封，弥补 了普通浅槽非接触密封不能胜任的低速高压、高温及大尺寸诚。同时，由于圆弧槽能吸附液体，使密封环外缘得到良好的冷却 ，还具有排除杂质的能力并且和转向无关，因而端面开圆弧槽的机械密封其性能较好，很适合用来密封低粘度、高参数的介质例如高温高压水。与此同时，尽管圆弧槽机械密封可以很好地改善密封端面间的润滑情况，以适用于高参数的工况，但它的流体回流效果不佳，始终存在高压侧向低压侧的泄漏。

4 多孔端面机械密封多孔端面机械密封 (LST-MS)是 Etsion于1996年提出的3 ，在动静环的任-面上加工出不同分布形式的微孔，微孔不具有方向性，属于双向旋转的非接触机械密封，可用于气体或液体密封 。-35]。典型微孔端面密封常采用激光精密加工而成，如图3所示。

(a)动、静环摩擦副(b)典型分布形式图3 微孔端面密封的结构不意图1999年，Burstein和 Ingman探讨 了随机分布激光加工端面微孔尺寸对机械密封承载能力的影响 。相 比之下，Etsion对端面微孔机械密封的研究更为深入。1999年至 2006年期间 ，Etsion针对 LST-MS提出了-种新的数学模型，进行了-系列理论及实验研究，建立静压多孔端面干气密封理论，以-定泄漏量下的最大承载力为 目标，对多孔织构参数进行了数值优化。研究结果表明，优化后的 LST-MS摩擦力矩及产热显著减小，较普通光滑端面机械密封，其密封寿命延长 3倍 以上；可通过表面微孔化技术使得非平衡式机械密封具有较高的2013年第 41卷第 3期 流 体 机 械 37承载能力 ；指出静压多孔端面干气密封性能主要依赖微孔部分密度，与微孔直径无关 ，微孔实际深度对密封性能影响甚校国内，蔡永宁、于新奇、彭旭东对这类槽型研究较多。2003至2007年间 ，于新奇建立了LST-MS的计算模型，数值分析和理论计算结果表明：密封端面间的摩擦扭矩随密封环转速增加而增大，微孔深度和微孔密度有最佳参数，使密封端面间的摩擦扭矩最校实验研究表明：与普通密封端面进行比较，机械密封的微孔端面结构可显著改善密封环的摩擦性能，且端面温升、摩擦扭矩和摩擦系数远低于普通机械密封的相应值，实验数据与理论研究基本符合。2007年，蔡永宁等建立了多孔端面机械密封理论分析模型，以获得最大端面静压为目标，优化了结构参数，再次证明在部分密封端面上加工微孔可有效增大端面静压 J。同年，万轶等实验结果表明：与光滑摩擦副相比，多孔端面密封可以将最大 PV值提高2.5倍 J。2010年，白少先、彭旭东等基于气体润滑理论的数值分析表明 LST-MS由于轴向气膜刚度较小 J，具有更小的扰动振幅，密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定，减少密封端面的接触摩擦。201 1年，彭旭东等在收敛锥面密封和多孔端面机械密封研究的基础上，提出了锥面 -微孔组合端面新型机械密封，通过有限元法求解理论模型证明在低压工况下，收敛锥面能提高机械密封的开启特性4 引。同年，彭旭东等又考虑了液体表 面张力对 LST-MS密封性能 的影响 ]，提出了疏水型面的几何结构模型，从理论上证明了LST-MS疏水型面具有 自密封性，有利于实现零泄漏。

微孔作为润滑剂存储器在摩擦过程中持续给接触面间供油，同时可以捕捉摩擦面间的磨损粒子，减少犁沟的形成，从而延长了密封寿命。但由于密封开启时容易发生接触，进而造成早期失效；同时由于磨屑在微孔中的沉积，也会减小其减摩效果；目前 LST-MS缺乏可供参考比较的系列试验数据。

(a)V型槽 (b)交叉螺旋槽 (C)梯形槽 (d)对称螺旋槽(e)L型槽 (f)矩形 -阶梯水平槽 (g)矩形 -圆弧水平槽 (h)树型槽图4 其他常用双向旋转槽型目前德国 Burgman公司生产制造的 V型槽 为 -40～300C，速度范围-般在 15～25m/s，适最具代表性，产品型号有 Cartex-GSD，CGS，GSO 用于毒性、污染性等危险性介质等密封诚 。。，- D，HRC-GSD，MFL85GS，MTEX-GSD等，其 如图4(a)。

生产制造的 V型槽可在串联集装式、单端面、双 图4(b)所示交叉螺旋槽采用双向两螺旋槽端面、单端面波纹管及金属波纹管多种结构特征 型的叠加模式，充分利用了螺旋槽的尖端增压作形式下使用，压力范围为 1.0～2.5MPa，温度范围 用，既能实现较好的动压效应，又能正反转。但由38 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013于加工槽型工艺较复杂，成本较高，应用诚较少。图4(c)所示梯形槽虽然密封性能不如螺旋槽，但由于其加工工艺简单，在-些要求不高的场合也经常使用。图4(d)所示对称螺旋槽型的特点是：将每个周期段中的单向槽变为双向槽，由两个螺旋槽反向连接构成。1998年，王玉明对此种槽型密封分别 申请了发明专利及应用新型专利[5 。数值计算也表明对称螺旋槽型机械密封在不同工况下具有 良好的动压效果和密封效果 。

图4(e)所示的L型槽干气密封是 日本华尔卡公司研制的新型槽型，国内只有从国外进口的L型槽干气密封，而且应用的不多。通过计算软件及实验研究，对比 L型槽与 T型槽密封，结果表明T型槽略优于 L型槽，阶梯 L型槽较优于等深 L型槽 。

1996年，Mailer巧妙地提出了流体回流式”流体润滑机械密封 ，如图4(f)所示。它具有对称的槽型结构，可双向旋转。密封环中间的系列水平槽，长短不同、深浅不同，它们能够将泄漏流体的大部分又泵送回高压密封侧，具有结构简单、泄漏量少、寿命长的优良特性。对此类槽型国内也 已成 功 申请 了发 明专利 和实用新 型专利[56，57]。这种机械密封国外已形成系列产品，但公开报道的相关研究成果很少。另外-种类似的结构，如图4(g)所示。它由矩形槽和居于密封面中部的圆弧槽构成。对此类槽型国内宋鹏云、常静华 鲫 已成功申请了双向自上游泵送机械密封环”发明专利和实用新型专利。

John Crane公司先后设计出50多种不同形状槽型的机械密封，结果发现，大多数双向旋转槽型线限制了气膜所产生的负载能力，使得端面间隙太小，温度也高，系统的压力波动或转子扰动很容易造成密封端面接触。在将各种槽型的最佳特点优化组合后，研制出双向旋转树型槽端面结构的干气密封(F-DGS) J。树型槽的突出特点是将每个区段中的单槽变成为双槽，增加了增压区的数量，充分利用了螺旋槽的尖端增压作用♂构如图4(h)所示。国内自1996起也陆续对树型槽双向干气密封进行了大量研究，同时还申请了相关专利 。马媛媛、彭旭东等对双向旋转树型槽密封端面气膜动压特性进行了研究 ，结果表明，双向旋转树型槽干气密封不仅能够实现双向旋转，而且具有较好的动压效应，同时讨论了操作参数等对双向旋转树型槽密封性能的影响。但由于树型槽端面密封结构比较复杂，关于其密封特性及其端面几何结构特征参数的系统研究，国内外尚未见到有关公开报道。

6 结语具有沟槽对称布置的非接触式机械密封在具有良好密封性能的同时兼具双向旋转性，避免了由于反向旋转造成的密封失效问题，具有广阔的应用前景。根据不同的工况条件可进行具体槽型结构选择：高压、高温、大尺寸诚可选用圆弧槽型机械密封，且其具有较好的排污能力；低速诚下树形槽具有良好的动压开启效果，气膜压力分布均匀；磨削粒子细小的密封诚 可选用多孔端面机械密封，其具有良好的捕捉磨损粒子及自润滑性能；T型槽加工工艺简单，除高温诚运行不稳定性外，在各种工况条件下皆具有较好的动压性能，开启性能也较好。

针对双向旋转式非接触密封的研究，笔者认为，今后的发展方向为：完善理论模型、强化回流效应、提高开启稳定性及提升 T型槽稳态运行温度区间。其中，可通过由单-变量参数向多变量参数发展完善理论模型；开启稳定性的研究不仅影响双向旋转槽型稳定性，同时直接影响其使用寿命，可由几何参数、工作参数与开启转速的关系人手进行分析研究，进而得出较低开启转速下的最优参数，提高运行稳定性。