高速透平離心壓縮機干氣密封設計技術

徐相鋒等

【摘 要】在簡要論述干氣密封的工作原理、典型結構、超高速運轉的干氣密封特點的基礎上，詳細分析了超高速透平離心壓縮機干氣密封設計技術，包括結構、材料選用、旋轉件的強度計算、降低運轉振動采取的措施，有關試驗技術，實際運行情況。

【關鍵詞】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。其主要應用于天然氣管線、煉油、石油化工、化工等行業的透平壓縮機，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，降低物料和能源的消耗、防止環境污染，保證人身及設備安全。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，取消了龐大的密封油供給及測控系統，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停車。

1.2工作原理

干氣密封要取得優化的性能需要保持間隙穩定，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生接觸，即使是在因各種原因發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。

這種機制將在靜環和動環組件之間產生一層穩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.超高速干氣密封設計技術要點

以某廠天然氣壓縮機為例。干氣密封結構圖見2。該壓縮機工作參數如下：

入口壓力（MPaG）1.50，溫度40°C

出口壓力（MPaG）2.85，溫度150°C

工作轉速：14080rpm（動環工作線速度=121m/s）

密封設計轉速：16192rpm（動環最大線速度=139m/s），密封為超高速干氣密封。

密封設計壓力：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。在保證密封副端面承載能力的前提下，密封副寬度應盡量減小。密封設計壓力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，應將供氣量提高至15Nm3/h。

2.2動環箍的設計

動環箍熱裝時注意：

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，加熱過程容易氧化和吸氣產生氫脆，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，要求加工表面質量高。

2.3降低密封旋轉件振動措施：

如上面所述，旋轉件產生的振動對密封是很不利的，所以必須嚴格控制旋轉件振動。動不平衡是旋轉件振動的根本原因，必須保證旋轉件做動平衡試驗時的精度。動平衡應滿足國家標準《剛性轉子平衡品質許用不平衡的確定》（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；然后將密封旋轉件裝在試驗工裝上做平衡。為避免旋轉件孔與試驗工裝外圓裝配時產（下轉第232頁）（上接第201頁）生偏心誤差，必須解決好兩個問題：

①旋轉件內孔——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，在設計上要提高孔軸之間定位之件——聚四氟乙烯定位環的剛度。一般情況下，定位環截面結構為橋式空心結構，過盈量0.01～0.02mm。現將截面結構改為實心結構，過盈量改為0.02～0.03mm。

2.4試驗技術

為保證密封在試驗機上正常運轉、降低振動，設計試驗工裝結構時盡量提高結構剛度、聯接剛度，使結構能夠減振、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計還應在密封端面的螺旋槽技術方面做特殊處理，本文在此不做討論。

3.現場運行結果

該壓縮機干氣密封安裝后運行狀態良好，轉速14080rpm；主密封泄露量為1.4Nm3/h；壓縮機轉子原來振動值50μm，現在振動值為15μm。一切運行指標合格，達到預期性能。

4.結論

實踐證明，本文提出的超高速干氣密封結構設計簡便可行，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計難點，為超高速透平離心壓縮機的廣泛應用提供了有力支持。 [科]

【參考文獻】

[1]顧永泉著.流體動密封.中國石化出版社，1992.

[2]胡國楨著.化工密封技術.化學工業出版社，1978.

[3]機械設計手冊.化學工業出版社，1982.