徐相鋒等
【摘 要】在簡要論述干氣密封的工作原理、典型結(jié)構(gòu)、超高速運轉(zhuǎn)的干氣密封特點的基礎(chǔ)上,詳細分析了超高速透平離心壓縮機干氣密封設(shè)計技術(shù),包括結(jié)構(gòu)、材料選用、旋轉(zhuǎn)件的強度計算、降低運轉(zhuǎn)振動采取的措施,有關(guān)試驗技術(shù),實際運行情況。
【關(guān)鍵詞】透平離心壓縮機;干氣密封;振動;螺旋槽
1.干氣密封工作原理
1.1簡介
干氣密封是美國John Crane 公司上世紀六十年代開始研究的氣膜潤滑端面密封,八十年代達到實用化。干氣密封是一種“以氣封氣”、流體動靜壓結(jié)合的非接觸式機械密封,是目前世界上最先進的一代高速透平離心壓縮機軸端密封。其主要應(yīng)用于天然氣管線、煉油、石油化工、化工等行業(yè)的透平壓縮機,用于密封各種危險性工藝流程氣體、以便維持主機的正常運轉(zhuǎn),降低物料和能源的消耗、防止環(huán)境污染,保證人身及設(shè)備安全。干氣密封有以下特點:可靠性高,使用壽命長,密封氣泄漏量小,功耗極低,工藝回路無油污染,工藝氣亦不污染潤滑油系統(tǒng),取消了龐大的密封油供給及測控系統(tǒng),占地面積小,重量輕,運行維護費用低,減少了計劃外維修費用和生產(chǎn)停車。
1.2工作原理
干氣密封要取得優(yōu)化的性能需要保持間隙穩(wěn)定,同時為減小泄漏希望間隙很小,但是又能夠使密封面不會發(fā)生接觸,即使是在因各種原因發(fā)生軸向移動時也要能夠保持這個間隙。干氣密封是通過開啟力和閉合力之間的動力平衡來實現(xiàn)這一功能的。
在動力平衡條件下,作用在密封上的力如圖1所示。
閉合力Fc,是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo,運行間隙大約為3微米。
如果由于某種干擾使密封間隙減小,則端面間的壓力就會升高,這時,開啟力Fo大于閉合力Fc,端面間隙自動加大,直至平衡為止。類似的,如果擾動使密封間隙增大,端面間的壓力就會降低,閉合力Fc大于開啟力Fo,端面間隙自動減小,密封會很快達到新的平衡狀態(tài)。
這種機制將在靜環(huán)和動環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性相當高的氣體薄膜,使得在一般的動力運行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損,延長了使用壽命。
2.超高速干氣密封設(shè)計技術(shù)要點
以某廠天然氣壓縮機為例。干氣密封結(jié)構(gòu)圖見2。該壓縮機工作參數(shù)如下:
入口壓力(MPaG)1.50,溫度40°C
出口壓力(MPaG)2.85,溫度150°C
工作轉(zhuǎn)速:14080rpm(動環(huán)工作線速度=121m/s)
密封設(shè)計轉(zhuǎn)速:16192rpm(動環(huán)最大線速度=139m/s),密封為超高速干氣密封。
密封設(shè)計壓力:2.2MPaG。
2.1降低密封副的工作溫度
①降低密封副的發(fā)熱量:
密封副熱量主要來源于密封高速運行的摩擦熱,它與摩擦副寬度有關(guān)。在保證密封副端面承載能力的前提下,密封副寬度應(yīng)盡量減小。密封設(shè)計壓力2.2MPaG為中壓范圍,載荷不大,密封副寬度可選至允許的最低值。一般寬度范圍在B=18~20mm,此處選B=18mm。
②對密封進行冷卻:
密封裝在壓縮機轉(zhuǎn)子兩端,壓縮機工作溫度約60°C~70°C,使干氣密封工作溫度較高,不利于密封自身散熱,只能采取外部手段進行冷卻。
本臺天然氣壓縮機干氣密封的主密封氣采用氮氣,氣源溫度約20℃。氮氣經(jīng)密封端面泄漏后會帶走部分熱量,但干氣密封泄漏量較小,約在3Nm3/h左右。主密封氮氣吸收的熱量有限,還需通過前置緩沖氣對密封進行冷卻,也隔斷機內(nèi)高溫氣體的熱量向密封擴散。用戶要求前置緩沖氣采用壓縮機出口氣,其溫度為150℃,需要預先強制水冷,具體實施由用戶負責。通常前置緩沖氣供氣量10Nm3/h,為便于密封散熱,應(yīng)將供氣量提高至15Nm3/h。
2.2動環(huán)箍的設(shè)計
動環(huán)箍熱裝時注意:
A.鈦金屬是化學活潑性高的金屬,在高溫中能與多種化學元素反應(yīng),加熱過程容易氧化和吸氣產(chǎn)生氫脆,故加熱溫度不宜太高。如果在真空爐中加熱,可通入氬氣保護。
B.鈦金屬對缺口敏感性大,要求加工表面質(zhì)量高。
2.3降低密封旋轉(zhuǎn)件振動措施:
如上面所述,旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的振動對密封是很不利的,所以必須嚴格控制旋轉(zhuǎn)件振動。動不平衡是旋轉(zhuǎn)件振動的根本原因,必須保證旋轉(zhuǎn)件做動平衡試驗時的精度。動平衡應(yīng)滿足國家標準《剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)許用不平衡的確定》(GB9239-88)的G2.5級要求。做動平衡的順序如下:首先將試驗工裝做平衡;然后將密封旋轉(zhuǎn)件裝在試驗工裝上做平衡。為避免旋轉(zhuǎn)件孔與試驗工裝外圓裝配時產(chǎn)(下轉(zhuǎn)第232頁)(上接第201頁)生偏心誤差,必須解決好兩個問題:
①旋轉(zhuǎn)件內(nèi)孔——試驗工裝外徑之間的配合一般是F7/h6:Φ100 F7()/Φ100h6(),最小間隙0.036mm,最大間隙0.093mm。為了減少裝配偏心誤差,將配合改為非標準公差帶:Φ100()/Φ100(),單件生產(chǎn)對工藝成本影響很小,最小間隙0.03mm,最大間隙降為0.06mm。
②旋轉(zhuǎn)件與試驗工裝間仍有0.03~0.06mm的間隙,平均間隙0.045 mm,還是有較大的間隙。為此,在設(shè)計上要提高孔軸之間定位之件——聚四氟乙烯定位環(huán)的剛度。一般情況下,定位環(huán)截面結(jié)構(gòu)為橋式空心結(jié)構(gòu),過盈量0.01~0.02mm?,F(xiàn)將截面結(jié)構(gòu)改為實心結(jié)構(gòu),過盈量改為0.02~0.03mm。
2.4試驗技術(shù)
為保證密封在試驗機上正常運轉(zhuǎn)、降低振動,設(shè)計試驗工裝結(jié)構(gòu)時盡量提高結(jié)構(gòu)剛度、聯(lián)接剛度,使結(jié)構(gòu)能夠減振、避振,阻斷振動傳遞。
超高速試驗時,試驗機與工裝散熱面積小,工作溫度很高,會達到150℃;而密封在壓縮機上實際運行時散熱面積大,工作溫度不會很高。
為保證正常試驗,必須對試驗機和試驗工裝外表面強制風冷。
另外,超高速干氣密封的設(shè)計還應(yīng)在密封端面的螺旋槽技術(shù)方面做特殊處理,本文在此不做討論。
3.現(xiàn)場運行結(jié)果
該壓縮機干氣密封安裝后運行狀態(tài)良好,轉(zhuǎn)速14080rpm;主密封泄露量為1.4Nm3/h;壓縮機轉(zhuǎn)子原來振動值50μm,現(xiàn)在振動值為15μm。一切運行指標合格,達到預期性能。
4.結(jié)論
實踐證明,本文提出的超高速干氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便可行,計算方法簡潔容易,具有一定的通用性。解決了超高速干氣密封的設(shè)計難點,為超高速透平離心壓縮機的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。 [科]
【參考文獻】
[1]顧永泉著.流體動密封.中國石化出版社,1992.
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