往复压缩机轴端平衡腔结构填料函失效原因分析

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往复压缩机中填料函的作用是密封气体防止其沿活塞杆方向泄漏。-般情况下 ，填料函密封的气体为气缸内的气体，而这些气体因为活塞的往复运动，不断地重复着 膨胀-吸气-压缩-排气”的过程。因而填料函密封的气体压力在吸气压力与排气压力之间有规律地波动。但在用户现场 ，由于工况条件的变化 ，导致机组动力性能计算上无反向角，影响了机组十字头销运行的可靠性 ，有时不得 已将机组轴端改为平衡腔 (轴端无进/排气气阀，轴端气腔与盖端排气腔直连)，这时气缸轴端内的气体没有压力波动，或压力波动较小，这就是静压密封。静压密封往往造成填料函的过早失效，故在设计阶段就要充分考虑变工况条件下机组运行的可靠性，尽量避免静压密封结构设计，文章以典型的单作用填料密封为例，分收稿 日期：2012-07-04- 2013年01期(总第 237期)析静压密封填料函失效的原因。

2 单作用填料函的密封原理- 般情况是相对静压密封来说的，即气缸内正常装有吸、排气气阀，存在吸/排气过程。图 1为常见填料的布置型式，根据压缩介质、压力、温度、转速、行程等工况参数的不同，可能需要增加减压环、漏气、氮气密封环等。

图 1中所示的单作用填料由-片径向切 口环(R环)和-片切向切口环 (T环)通过销钉组合而成，从而使 R环的每-瓣正好遮挡T环的切口。

对于其中的某-组填料：气缸侧的压力定义为Pi，气体作用于R环正面形成的轴向力定义为E；轴侧泄漏气体形成的压力 (即该组填料的背压)定义为Pi 该气体力作用于T环背面形成的轴向力定义为 由于气体力使填料抱紧活塞杆故 障 分 析F t Analysis而形成的摩擦力定义为联。

当活塞杆向轴侧运动时，气缸内的气体由于被压缩，压力不断升高，高压气体通过活塞杆和填料盒的径向间隙以及填料与填料盒之间的轴向间隙进人到杯槽内 (如图2所示)。

图1 压缩机填料布置示意图图 2 高压气体进入填料盒形成密封第 i组填料在活塞杆的带动下首先与工作面2贴合，随后因气体力的作用，在活塞杆与填料内孔间、T环背面与工作面2间形成密封。

由于填料不可能做到完全密封，因此高压气体通过每-组填料便会产生-定压力降；研究表明所有填料中总是第-组填料承受最大压力降，因此pi。《pi，即E。《 ，填料在气体力 及摩擦力联 的共同作用下，紧贴在工作面 2上，有效地阻止了气体沿活塞杆方向向外泄漏。

反之，当活塞杆向盖侧运动时，随着缸内容积不断增大，缸内高压残留气体因膨胀而压力降低，杯槽i内气体压力Pi也随之降低，从而会不断地回流到气缸内 (如图3所示)，此时工作面2形成的轴向密封效果会逐步降低；在填料脱离工作面2之前，P 保持不变。气体力 。及摩擦力 便会逐步克服不断降低的 从而使填料脱离工作面2，贴向工作面 1。

64l i瓣 翘此刻杯槽il中泄漏的气体便会沿着 R环的3个径向切口，不断流向气缸 (如图4所示)，杯槽il内的气体力也不断降低，这就保证了在下-个行程中 > ，能够维持并很早就得以建立。因此，单作用环在这-过程中是不起密封作用的。

图3 杯槽 i内气体回流入气缸工作面1 工作面2 工作面3活塞杆运动方向图 4 杯槽 i1内气体回流入气缸3 静压工况下(平衡腔)的填料函密封静压工况下，当活塞杆向轴侧运动时 (相当于气缸的压缩过程)，填料的密封形成与 单作用填料函的密封原理”相同。但问题的关键在于，当活塞杆向盖侧运动时，由于气缸内不存在膨胀及吸气过程，缸内气体压力保持不变，杯槽i，杯槽 il内气体无法回流人气缸。因而，填料始终处于 贴紧密封状态”，如图 5所示。

因为任何填料随着活塞杆的往复运动，都存在或多或少的泄漏，时间越长泄漏的气体聚积越多，压力Pi 也就越高，这就意味着工作面2上填料与杯槽的压紧力越低 ，当 ∮近Pi时 (填料两2013年叭期(总第237期)翻故 障 分 析uh n Ⅷ s图 5 静压气体进入填料盒形成密封工作面1 工作面2 工作面3图 6 填料前后压力相当悬浮于杯槽内侧已无法形成有效的轴向压差)，在摩擦力 作用下，填料很容易就随着活塞杆运动脱离工作面2，于是气体pi立即充满杯槽 il，从而使填料 i失去作用，填料随着活塞杆运动时而悬浮于杯槽当中，时而贴于工作面 1或工作面2，如图6所示。

之后的各组填料也将如同第-组填料-样，不断地失去作用，直到位于漏气排放口前的最后-组填料，能够维持稳定的压差 (缸内压力与大气之间的压差)，形成密封。也就是说众多主密封中，仅有最后-组在起密封作用。当最后-组填料磨损失效后，倒数第二组填料起密封作用，以此类推。虽然我们认为-组填料就可以密封大部分气体，但平衡腔静压密封时，最后-组填料泄漏的气体直接漏至大气，泄漏量就会很大。因而静压工况下填料密封环组是-个 单打独斗”的过程。

正常填料密封，则是第-组填料首先密封气体，泄漏的气体由后续填料辅助密封，故泄漏到排放口的气体就微乎其微，多组填料环组成-个协同作战”的整体。

4 结语综上所述，往复压缩机在设计阶段就要充分考虑变工况条件下机组运行的可靠性，在做热、动力计算或在选择气缸布置方式时，尽量避免轴侧平衡腔设计，或者在轴侧布置进、排气压力波动较小的气缸，这些都会极大地增加填料函的密封难度。如果机组动力计算时确无反向角，可通过气缸盖端加尾杆或将气缸作用方式设计为倒级差结构等方式解决。

作者简介：黎周麟(1965-)，男 ，工程师 ，现主要从事压缩机设计工作。

(上接第62页)综上计算，每年最少可节省费用 40.3万。同时还不影响生产，相比之下也相当予节省了费用。

4.2 提高压力控制精度变频控制系统具有精确的压力控制能力。通过使空压机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配，可以使管网的系统压力保持恒定，有效地提高了供气源的质量。

4.3 延长压缩机的使用寿命变频器有软启动功能，可减少起动时对压缩机和机械部件所造成的冲击，增强系统可靠性 ，延长压缩机使用寿命，同时减少空压机启动对电网的冲击。

-2013年Ol期(总第237期)5 结论通过-年的运行及节能效果分析，我公司实施的空压机节能措施成果卓著，提高公司了运行效率及经济效益，值得推广。