胡秀文

（華陽集團(tuán)煤層氣開發(fā)利用分公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

煤層氣在我國經(jīng)濟(jì)和能源結(jié)構(gòu)中處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，我國煤層氣開采主要集中在河南、山西等地。在煤層氣運(yùn)輸過程中，為了防止煤層氣出現(xiàn)泄露而導(dǎo)致事故的發(fā)生，對煤層氣壓縮機(jī)的密封性能提出了較高的要求。對于壓縮機(jī)的軸密封技術(shù)而言，早期以單端面密封技術(shù)為主，后期發(fā)展有雙端面和多端面等多種機(jī)械密封方式[1]。從原理上講干氣密封由于動(dòng)壓效應(yīng)的基礎(chǔ)，其靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間不接觸，從而有效防止了煤層氣的泄露。本文將重點(diǎn)開展干氣密封在煤層氣壓縮機(jī)端面密封中的應(yīng)用。

1 干氣密封原理分析

可應(yīng)用于干氣密封的結(jié)構(gòu)主要包括有動(dòng)靜環(huán)、支座、O 型圈和彈簧軸套等組成。具體工作原理如下：當(dāng)壓縮機(jī)不工作時(shí)，靜環(huán)和動(dòng)環(huán)在流體靜壓力和彈簧擠壓力的作用下達(dá)到緊密結(jié)合目的，從而避免了氣體泄露。當(dāng)壓縮機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的密封斷面中間不斷聚集阻隔氣體，同時(shí)彈簧在壓縮作用下達(dá)到新的平衡狀態(tài)；此時(shí)，在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間形成一個(gè)相對穩(wěn)定的氣膜，在此密封間隙內(nèi)所形成的氣膜使得靜環(huán)和動(dòng)環(huán)處于非接觸狀態(tài)也可實(shí)現(xiàn)密封的效果[2]。

從理論上講，影響干氣密封效果的主要參數(shù)包括有氣膜的剛度、端面的開啟力、泄露量以及摩擦功耗。具體分析如下：

1.1 氣膜剛度

氣膜剛度指的是，壓縮機(jī)在實(shí)際工作中在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間所形成氣膜厚度會(huì)發(fā)生變化，從而使得端面開啟力發(fā)生變化。氣膜剛度是決定壓縮機(jī)密封效果受到外界干擾影響的衡量指標(biāo)[3]。氣膜剛度越大，說明其密封效果受外界干擾的影響較小。

1.2 泄漏量

對于任意密封技術(shù)而言，做到氣體或液體零泄漏是不可能的。因此，將泄漏量降為零或降至可控的范圍是干氣密封的主要目標(biāo)。影響干氣密封下煤層氣泄漏量的主要因素包括有壓縮機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速、氣體的黏度、煤層氣的壓力等。

本文將從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層面對影響干氣密封效果的因素展開研究，為后續(xù)壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)的有優(yōu)化提供支撐。

2 干氣密封的數(shù)值模擬研究

基于SolidWorks 軟件構(gòu)建煤層氣壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)模型，將模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中對影響干氣密封效果的因素，重點(diǎn)對內(nèi)在和外在兩方面的因素對干氣密封效果的影響展開研究[4]。對構(gòu)建完成后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置完畢后開始分析。

本文所研究煤層氣壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 煤層氣壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

分別對壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa，轉(zhuǎn)速分別為1 900 r/min、2 100 r/min、2 300 r/min、2 500 r/min和2 700 r/min多種情況下干氣密封結(jié)構(gòu)的密封效果展開研究。上述多種情況下對應(yīng)的溫度為303.15 K。

2.1 外在因素對干氣密封效果的影響

設(shè)定壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，對不同壓力下對應(yīng)的泄漏量、開啟力、摩擦功耗和剛漏比進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2 所示，隨著壓力地增加，對應(yīng)的泄漏量、開啟力、摩擦功耗等均處于增長的趨勢；而對應(yīng)剛漏比處于減小變化趨勢。詳細(xì)分析可知，泄漏量、開啟力以及摩擦功耗與壓力之間關(guān)系近似為線性變化。

表2 不同工作壓力下干氣密封效果對比

同理，得出隨著轉(zhuǎn)速的增加，對應(yīng)泄漏量、開啟力、摩擦功耗以及剛漏比均處于增長的趨勢。導(dǎo)致上述的主要原因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)對應(yīng)的氣膜厚度發(fā)生變化，在此期間會(huì)在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間形成一定的縫隙，從而導(dǎo)致泄漏量增加[5]。其中，泄漏量、開啟力和剛漏比與轉(zhuǎn)速呈線性變化的關(guān)系。

2.2 內(nèi)在因素對密封效果的影響

對于煤層氣壓縮機(jī)的干氣密封結(jié)構(gòu)而言，其涉及到的核心結(jié)構(gòu)尺寸包括有槽臺(tái)寬比、槽長壩長比、槽數(shù)、槽深以及螺旋角等。本文通過數(shù)值模擬方式對上述結(jié)構(gòu)參數(shù)對干氣密封效果展開研究。以槽臺(tái)寬比為例，對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果如表3 所示。

表3 不同槽臺(tái)寬比對干氣密封效果的影響

如表3 所示，隨著槽臺(tái)寬比增大，對應(yīng)的泄漏量、開啟力增加；摩擦功耗呈現(xiàn)為減小的變化趨勢；剛漏比呈現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢。綜合對比槽臺(tái)寬比對泄漏量、開啟力、摩擦功耗和剛漏比的影響，最終確定將槽臺(tái)比控制在0.5～0.7 之間最佳。

同理得出，綜合考慮干氣密封結(jié)構(gòu)的密封效果將螺旋槽的槽長壩長比控制在0.5～0.7 之間；將槽數(shù)控制在8～14 之間，一般取12 為最佳；將槽深度控制在4～8 μm 之間；將螺旋角控制在17°～28°之間。

3 干氣密封結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

本章節(jié)通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對外界因素對干氣密封效果的影響開展試驗(yàn)研究。所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示，以不同工作壓力下，干氣密封結(jié)構(gòu)對應(yīng)的泄漏量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出如圖2 所示的曲線，在同一轉(zhuǎn)速下，隨著工作壓力的增加對應(yīng)的泄漏量增加；導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)楫?dāng)工作壓力增加時(shí)，對應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓效應(yīng)明顯，對應(yīng)的斷面開啟力、密封間隙以及氣膜厚度均增加。在同一工作壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，對應(yīng)的泄漏量減小。

圖1 干氣密封效果實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 不同工作壓力下干氣密封結(jié)構(gòu)的泄漏量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，說明通過數(shù)值模擬分析所得到的結(jié)論可指導(dǎo)對干氣密封結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并可指導(dǎo)壓縮機(jī)工作參數(shù)的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

壓縮機(jī)為對煤層氣進(jìn)行傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，在傳輸過程中尤其需要關(guān)注煤層氣的泄漏問題。傳統(tǒng)機(jī)械密封存在摩擦損耗較大、密封件磨損嚴(yán)重、更換頻繁等問題。因此，干氣密封技術(shù)為壓縮機(jī)未來端面密封的主流技術(shù)。本文主要通過數(shù)值模擬手段對不同因素影響密封效果展開研究，并得出如下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)速、壓力為影響密封效果的外在因素；槽臺(tái)寬比、槽長壩長比、槽數(shù)、槽深以及螺旋角為影響密封效果的內(nèi)在因素。

2）干氣密封結(jié)構(gòu)的密封效果將螺旋槽的槽長壩長比、槽臺(tái)寬比控制在0.5～0.7 之間；將槽數(shù)控制在8～14 之間，一般取12 為最佳；將槽深度控制在4～8 μm之間；將螺旋角控制在17°～28°之間。