密封基础知识（二）

jnsn · 发表于 2008-11-28 15:23:48

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密封基础知识（二）
基础知识——磁流体密封
7.1 磁流体
7.1.1 磁流体的组成
1995年由美国帕佩尔（Papell）发明的磁性流体，是把磁铁矿等强磁性的微细粉末（约100Å）在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下，既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性，可以被磁铁所吸引的特性。
磁流体由3种主要成分组成：
1）固体铁磁体微粒（Fe3O4）；
2）包覆着微粒并阻止其相互凝聚的表面活性剂（稳定剂）；
3）载液（溶媒）。
7.1.2 磁流体的特性
磁流体是一种叫胶体溶液。作为密封用的磁流体，其性能要求是：稳定性好，不凝聚、不沉淀、不分解；饱和磁化强度高；起始磁导率大；粘度和饱和蒸气低，其他如凝固点、沸点、导热率、比热和表面张力等也有一定的要求。
影响磁流体稳定的主要因素有：微粒力度大小、表面活性剂和载液以及它们的合理配比。稳定性是磁流体各种特性存在的前提。
7.2 磁流体密封的工作原理
圆环形永久磁铁，极靴和转轴所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个所谓的“O”形环，将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体和转轴是非磁性体两种场合。前者磁束集中于间隙处并贯穿转轴而构成磁路，而后者磁束比不通过转轴，只是通过密封间隙中的磁流体而构成磁路。
7.2.3 极限条件
磁流体密封在工作时会受到下列条件的限制：
1）蒸发。磁流体由磁性微粒、表面活性剂和载液3部分组成，载液的蒸发是决定密封极限旋转频率和使用寿命的主要因素。因为密封是靠有限的磁流体工作的。为此，应选用蒸汽压低的载液，使蒸发损失为最小值。
2）温升。温度升高会导致磁铁退磁和磁流体的蒸发。因为温度升高，粘度降低，功率消耗也就降低，这是有利的一面。但是温度的、升高，磁饱和强度下降，也可能使密封的耐压能力有些下降，因此，磁流体温度一般不应高于105℃，否则应采用冷却措施。
3）极限真空度。磁流体密封极限真空度取决于载液的挥发度，用二脂润滑剂作成的载液可满足1.333×10-7Pa超高真空技术的要求。
4）周速。一般磁流体密封适用于高周速30m/s以上的运转，无极限标志。但考虑到温度和散热，周速应限制在60～80m/s，此时还要考虑极限耐压能力。
基础知识——高压密封
高压密封的型式很多，按其工作原理分为强制密封和自紧密封两类。强制密封是依靠联接件（螺栓）的预紧力来保证压力容器的顶盖、密封元件和圆筒体端部之间具有一定的接触压力，以达到密封的目的。自紧密封是随着压力容器内的操作压力增加，密封元件与顶盖、圆筒体端部之间的接触压力也随之增加，由此实现密封作用。自紧密封的特点是压力越高，密封元件在接触面的压紧力就越大，密封性能也就越好，操作条件波动时，密封仍然可靠。但是结构比较复杂，制造较困难。自紧密封按密封元件变形方式还可以分为轴向自紧密封和径向自紧密封。
按密封材料性能，高压密封又可分为使密封元件产生塑性变形的塑性密封，使密封元件产生弹性变形的弹性密封。
目前，压力容器常用的密封型式有如下几种：
1）强制密封有平垫密封，卡扎里密封和八角垫密封；
2）半自紧密封有双锥密封；
3）自紧密封有楔形密封，五德密封，空心金属O形环密封，C形环密封，B形环密封，三角垫密封，八角垫密封，平垫自紧密封及橡胶O形圈密封等。
基础知识——真空密封
真空联机密封性能取决于联接处的泄露和真空材料的放气。对任何真空系统总希望漏、放气量与密封形式、密封材料、加工精度及装配质量等诸多因素有关，故在联接处总会存在一定的漏、放气量，因此可根据真空系统工作的性质，真空室工作工作应力的高低及其出口处抽气速度的大小提出要求。
真空系统中的压力在高于10-5Pa真空范围内广泛使用合成橡胶、环氧树脂和塑料。当真空度提到压力10-7Pa的真空范围时，这些密封材料就不能用了，需要应用超高真空的密封材料如金或铜作垫圈，而真空壳体不能用软刚需要改用不锈钢。
超真空气体内的气体状态是动态平衡状态。系统内的压力极限，一方面与泵的有效抽速有关，另一方面与来自真空壳体及其内部的零部件的气流量有关。因虽有系统的有效抽速由于泵有结构尺寸和费用的原因，总存在实际限制。所以，减少气流量就成为达到超高真空状态的基本设计目标，成为选择超高真空材料的主要准则。
作为真空系统内部用的材料，要求饱和蒸汽压低，为了减少慢性解吸和体出气，要求能耐450℃高温烘烤，而不降低机械强度和不发生化学和物理损伤。作为真空系统壳体材料，要求能忽略气体渗透，承受得住大气压的压力，烘烤期间耐空气侵蚀和不发生漏气。此外，要求选用材料，加工制作容易，价廉易得。
对于真空度低于10-7Pa的超高真空，虽然天然和合成橡胶是理想的密封圈材料，弹性好，装配成真空密封后法兰螺栓受力很小，而且可以多次重复使用。但由于超高真空系统要求密封圈材料耐250℃烘烤，实际上可可供选用的几种橡胶材料都不能满足要求。真空度更高（即压力更低）的超高真空，则必须采用金属密封。
9.1 真空用橡胶密封圈
接触式真空动密封的结构，最常用的有下面几种类型：
1）J型真空用橡胶密封。
J型真空用橡胶密封圈工作表面应平整光滑，不允许有气泡杂质、凹凸不平等缺陷。
2）O型真空用橡胶密封圈。
3）骨架型真空用橡胶密封圈
4）真空用O形橡胶密封圈
9.2真空用金属密封圈
金属密封圈密封的可拆联接是超高真空系统中常用的联接形式。它是为满足超高真空要求而必须经200～400℃的高温烘烤除气而采用的密封方式。
常用的金属密封圈的材料有金丝和无氧铜两种，它们有下列一些性能：
金（Au）具有高的化学稳定性，高温时不氧化，塑性好，屈服极限比铜或铝低一倍，在较小的夹紧力下即可产生塑性变形，膨胀系数为αg=14×10-6cm/cm•℃，比不锈钢的膨胀系数αs=18×10-6cm/cm•℃稍低。金制密封圈虽有良好的密封性能，但在夹紧力的作用下会发生显著的变形硬化，强度增加。为了保证密封圈密封，必须增大加紧力，而过大的加紧力又会在法兰表面上引起压力痕，影响密封性能。因此，用在要求较高而不经过装拆的联接，拆开后重新装配时需要更换密封圈。由于金的价格比较贵，它的应用受到较大的限制。
铜（Cu）的热膨胀系数为αs=16.4×10-6 cm/cm•℃。铜的硬度比较大，铜制密封圈在使用前必须在真空或氢气中进行退火处理，消除内应力。无氧铜是目前超高真空密封联接中常用的密封圈材料。其不足之处是高温烘烤中与大气接触部分会氧化，因此，在要求高的情况下，将无氧铜的密封圈的表面镀一层金，使其具有更好的密封性能。
作为联接用的法兰盘材料也必须能承受高温烘烤、抗氧化以及在高温时仍有良好的力学性能。最常用的材料是不锈钢。法兰密封表面的粗糙度和尺寸就精度均应满足超高真空密封的要求。
9.3 采用软件变形的动联接密封
9.3.1 非金属软件变形的动联接密封
9.3.2 金属软件变形的动联接密封
9.4 真空用的其他密封
9.4.1 真空用磁流体密封
真空转轴密封具有代表的典型结构是接触式的威尔逊密封。为了防止轴在高速旋转、下气体的泄露，只能增加密封接触界面上的压力。但是由此而产生的摩擦发热问题却难以解决。因此，研制摩擦损失小，使用寿命长的新型密封结构已成为真空装置中应当解决的重大问题之一。为了解决这一问题，近年来应用磁流体进行真空转轴动密封的技术已经在国内外取得了成功。
真空中应用磁流体密封的优点：
1）磁流体密封真空转轴可消除密封件间的接触所产生的摩擦损失，提高轴的转速（可达120000r/min），大大减少泄露。如果采用低蒸汽压的磁流体可将真空室内的真空度维持在1.3×10-7Pa以上。
2）磁流体的密封结构简单，维护方便，轴与极靴间的间隙较大，因此可不必要求过高的制造精度。
3）磁流体在密封空隙中由磁铁所产生的磁场所固定，因此轴的起动和停止较方便。其缺点是磁流体在高温下难以稳定，工作温度一般在-30～120℃之间。轴的过高或过低温度下工作时需要采用冷却或升温措施，从而使密封结构复杂化。
9.4.2 联接接隔板密封
利用磁力把动力传递当真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一个旋转磁场1，该磁场带动真空容器内鼠笼式转子2转动，即可达到隔板密封的目的。
这种密封装置的特点：
1）磁联接隔板密封对真空容器内的真空条件没有显著影响，同其他几种动密封相比，其真空可靠性大。
2）运动件与真空容器壁不相接触，在传递运动过程中隔板或隔离圈筒除承受压力差外，不承受其他载荷，从而可以保证磁联接隔板密封的可靠性。
3）真空容器内的“污染”，仅取决于运动部件本身的结构元件，特别是摩擦部件的放气及隔板的透气性。
磁联接隔板密封结构在设计中应注意的问题：
1）外磁铁应尽量接近真空器的内壁；
2）隔离平板或隔离圈筒应用非磁性材料制造；
3）传递运动的铁芯形状与磁铁的形状相适应，而且容器壁或真空室内的其他零件应保证铁芯运动方向；
4）为了减少放气和摩擦建议用包着玻璃的铁芯；
5）磁场强度和磁铁与铁芯的距离应选择使它们运动时与容器壁或容器内的水银、铟等的冲击不大。
基础知识——离心、停车和全封闭密封
10.1 离心封闭
10.1.1 离心密封的结构型式
离心密封是利用回转体带动流体使之产生离心力以克服泄露的装置，其密封能力来源于机器轴的旋转带动密封元件所做的功，因此它属于一种动力密封。
离心密封的特点：它没有直接接触的摩擦副，可以采用较大的密封间隙，因此能密封含有固相杂质的介质，磨损小，寿命长，若设计合理可以做到接近于零泄露。但是这种密封所能克服的压差小，亦即密封的减压能力低。离心密封的功率消耗大，甚至可达泵有效功率的1/3。此外，由于它是一种动力密封，所以一停车立即丧失密封功能，为此必须辅以停车密封。
10.2.2 离心密封的减压能力
10.2.1 背叶片密封
如果工作轮后盖板上无叶片，亦即为光滑盘时，则处于后盖板与泵壳间隙腔中的液体将以工作轮角速度的ω/2的旋转。此时，间隙空腔中的压力沿径向按抛物线规律分布，如图10-5中的压力将沿ABEKG分布，也就是说，轴封处的压力降低了。
10.2 停车密封
停车密封是动力密封的重要组成部分。当部件旋转频率降低或停车时，动力密封失去密封能力，只有依靠停车密封阻止流体泄漏。某些液封和气封液带有停车密封，以便停车后将封液、封气系统关闭。停车密封的结构类型有多种，其中应用最广的是离心式停车密封，此外还有压力调节式停车密封，胀胎式停车密封等。
10.2.1离心式停车密封
图10-10所示是一种典型的离心式停车密封结构，泵运转时靠背叶片的离心作用密封。停车时，在弹簧力推动下，使泵轴向左滑移而将锥套填料抵紧，阻止泄漏。起动后离心子甩开，其抓部拔动轴肩使轴左移，将锥套与填料密封脱开，是密封面不受磨损。
10.2.2 压力调节式停车密封
与螺旋密封组合的压力调节式密封，停车时，可在轴上移动的螺旋套，在弹簧力推动下，是其台阶端面与机壳端面压紧而密封。运转时，两段反向的螺旋使间隙中的粘性流体在端面处形成压力峰，作用于螺旋轴的台阶端面处使其与壳体端面脱离接触。
带有滑阀的停车、密封。当压差缸卸压，片弹簧推移的滑阀与轴肩接紧而实现停车密封。
10.3 全封闭密封
10.3.1 全封闭密封
全封闭密封是将系统内外的泄露通道全部隔断，或者将工作机和动机置于同一密闭系统内，可以完全杜绝介质向外泄露。
全封闭密封没有一般动密封存在的摩擦、磨损、润滑以及流体通过密封面的流动即泄露问题，是一种特殊类型的密封。在密封剧毒、放射性和稀有贵重物质等方面以及在其实验和产生中，全封闭密封都有重要用途。
基础知识——浮环密封
浮动环密封简称浮环密封，用于离心压缩机、氢冷气轮发电机、离心泵等轴封。
在中、高压离心压气机中可供选择的密封方式有：机械密封、迷宫密封和填料密封。但由于气体的散热和润滑条件不如液体，所以填料密封只有小型、低速才用，而机械密封在周速大于40m/s温度高于200℃以后也很难适应，只有迷宫密封和浮环密封是最常用的两种方式。
浮环密封有下列优点：
1）密封结构简单，只有几个形状简单的环、销、弹簧等零件。多层浮动环也只有这些简单零件的组合，比机械密封零件少。
2）对机器的运行状态并不敏感，有稳定密封性能。
3）的密封件不产生磨损，密封可靠，维护简单、检修方便。
4）因密封件材料为金属，固耐高温。
5）浮环可以多个并列使用，组成多层浮动环，能有效的密封10MPa以上的高压。
6）能用于10000～20000r/min的高速旋转流体机械，尤其使用于气体压缩机，其许用速度高达100m/s以上，这是其他密封所不能比拟的。
7）只要采用耐腐蚀金属材料或里衬耐腐蚀的非金属材料（如石墨）作浮动环，可以用于强腐蚀介质的密封。
8）因密封间隙中是液膜，所以摩擦功率极小，在、使机器有较高的效率。
浮环密封的缺点：密封件的制造精度要求高，环的不同心度和端面的不垂直度和表面不粗糙度对密封性能有明显的影响。此外，这种密封对液体不能做到封严不漏。对气体虽然可做到封严，但需要一套复杂而昂贵的自动化供油系统。
11.1 浮环密封机理
浮环密封属于流阻型非接触式动密封，是依靠密封间隙内的流体阻力效应而达到阻漏目的。由于存在间隙，避免了固体摩擦，适用于高速情况，即可封堵液体，也可封堵气体，但泄露量较大，某些情况下还须配置比较复杂的密封辅助系统。
11.2 浮动环
浮环密封装置的结构有多种型式，其主要型式有：宽环和窄环、光滑环和开口环、液膜和干式浮动环。
11.2.1宽环和窄环
宽环的宽度相对其直径来说较大，其比例l/D=0.4～0.6。这种环的特点在于工作时作用在此环上的流体动力要比窄环大，并且不需用对正中心的附件。在一定的压差和泄露量之下，其数目可以比窄环少些，这样，密封装置的结构可以简化，并便于装拆和检修。
宽环的缺点在于环的两侧会有较大的压差，这样，作用在环端面上的压力也就较大，在自由浮动时所须克服的端面摩擦力较大，即浮动较为困难。
窄环的宽度相对其直径较小，其比例l/D=0.1～0.2。窄环与轴的间隙较小，工作时，间隙中形成的流体动力较小，因此其自动同心的能力较差，大多用橡胶O型圈来帮助对正中心。由于采用这种辅助措施，偏心度较小，停车时间也较少，这样，虽然环窄，泄露量却不大。
窄环也可以不用O形圈定位，而改用弹簧。环在弹簧力的作用下，压在隔离环端面上。当密封液的压力降低时，环仍可以保持它的对正中心位置。
由于作用在每个窄环上的压力差比宽环小，所以环作用在隔离环端面上的压力也就小，即窄环容易浮动。
11.2.2 光滑环和开口环
光滑环的内孔是光滑的；开槽环的内孔全长开槽或部分开槽。由于光滑环与轴表面的间隙中水力摩擦较小，使用中回出现较大的泄露量。开槽环的内孔加工有许多道环形槽，与轴的间隙中水力摩擦较大，在同样的压差和同样的宽度下，泄露量要比光滑环小，特别是在高转速下可以作到完全不漏，液膜形成也很稳定，能有效的起到密封作用。所以，对于高速转轴，开槽环比光滑环好，如将光滑浮环密封与机械密封作比较，在低速时机械密封的泄露量少些，高速下则光滑环少些，因此，高速转动密封宜用光滑环。但是，当旋转频率太高时，由于密封油的粘性阻滞作用，密封油会发热。为了散热，常常有意保持一定的泄露量。而泄露量除与环的形式有关外，还与运动速度、油的特性、入口油温和大气温度等有关。
11.2.3 液膜和干式浮动环
浮动密封既可密封液体，也可密封气体。用以阻止液体泄露的称为液膜浮环密封；用于阻止气体泄露的称为干式浮环密封，因为浮环通常石墨等固体自润滑材料制造，故又称石墨浮环密封。
石墨浮环密封：波形片弹簧的弹力及气体压力使各浮动环的一个端面分别与各隔离环的一个端面紧密贴合，组阻止气体沿径向泄露，并靠端面的摩擦力防止环转动通过浮动环密封沿轴向漏出的少量气体由排漏空排出，或引至主机的气体进口。石墨浮环密封的工作间隙不是定值，而是随摩擦发热状况而自行调整，故有“热自调间隙密封”之称。
石墨既耐腐蚀又耐热，但它太脆，在径向载荷作用下易断裂。在离心压气机中，采用了石墨作浮环，为了防止断裂，常在石墨环的外周镶有金属环。石墨环用冷缩方法套用金属环内，然后再加工石墨环的内孔，使之达到规定的尺寸。当轴封的温度上升时，如镶环与轴的材料相同或相似，他们的膨胀量就会相同或相差不大。而不致影响密封性能。这种结构已成功应用于温度高达400℃的气体密封。
基础知识——迷宫密封
迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。
由于迷宫密封的转子和机壳间存在间隙，无固体接触，毋须润滑，并允许有热膨胀，适应高温、高压、高转速频率的场合，这种密封形式被广泛用于汽轮机、燃汽轮机、压缩机、鼓风机的轴端和的级间的密封，其他的动密封的前置密封。
12.1 迷宫密封的密封机理
流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。对液体，有流体力学效应，其中包括水力磨阻效应、流束收缩效应；对气体，还有热力学效应，即气体在迷宫中因压缩或者膨胀而产生的热转换；此外，还有“透气效应”等。而迷宫效应则是这些效应的综合反应，所以说，迷宫密封机理是很复杂的。
12.1.1 摩阻效应
泄露液流在迷宫中流动时，因液体粘性而产生的摩擦，使流速减慢流量（泄露量）减少。简单说来，流体沿流道的沿程摩擦和局部磨阻构成了磨阻效应，前者与通道的长度和截面形状有关，后者与迷宫的弯曲数和几何形状有关。一般是：当流道长、拐弯急、齿顶尖时，阻力大，压差损失显著，泄露量减小。
12.1.2 流束收缩效应
由于流体通过迷宫缝口，会因惯性的影响而产生收缩，流束的截面减小。设孔口面积为A，则收缩后的流束最小面积为 Cc A，此处 Cc 是收缩系数。同时，气体通过孔口后的速度也有变化，设在理想状态下的流速为u1，实际流速比u1小，令Cd为速度系数，则实际流速u1为u1= Cd u1于是，通过孔口的流量将等于q=CcCdA u1式中Cc•Cd=α（流量系数）。
迷宫缝口的流量系数，与间隙的形状，齿顶的形状和壁面的粗糙度有关。对非压缩性流体，还与雷诺数有关；对压缩性流体，还于压力比和马赫数有关。同时，对缝口前的流动状态也有影响。因此在复杂型式的迷宫只，不能把一个缝口的流量系数当作所有缝口的流量系数。根据试验，第一级的流量系数小一些，第二级以后的缝口流量系数大一些，一般流量系数常取1。但是尖齿的流量系数比1小，约在0.7左右，圆齿的流量系数接近于1，通常取α=1，计算的泄露量是偏大。
12.1.3 热力学效应
理想的迷宫流道模型，它是由一个个环形齿隙和齿间空腔串联而成的。气体每通过一个齿隙和齿间空腔的流动可描述如下：在间隙入口处，气体状态为p0，T0和零开始，气体越接近入口，气流越是收缩和加速，在间隙最小处的后面不远处，气流获得最大的速度；当进入空腔，流速截面突然扩大，并在空腔内形成强烈的旋涡。从能量观点来看，在间隙前后，气流的压力能转变为动能。同时，当温度下降（热焓值h减小），气体以高速进入两齿之间的环行腔室时，体积突然膨胀产生剧烈旋涡。涡流摩擦的结果，使气流的绝大部分动能转变为热能，被腔室中的气流所吸收而升高温度，热焓又恢复到接近进入间隙前的值，只有小部分动能仍以余速进入下一个间隙，如此逐级重复上述过程。
12.1.4 透气效应
在理想迷宫中，认为通过缝口的气流在膨胀室内动能，全部变成热能。也就是说，假定到下一个缝口时的渐近速度等于零，但这只是在膨胀室特别宽阔和特别长时才成立。在一般直通迷宫中，由于通过缝口后的气流只能向一侧扩散，在膨胀室内不能充分的进行这种速度能(动能)向热能的能量转换，而靠光滑壁一侧有一部分气体速度不减小或者只略微减小，直接越过各个齿顶流向低压侧，把这种一掠而过的现象称为 “透气效应”。
12.2 迷宫密封的结构型式
迷宫密封按密封齿的结构不同，分为密封片和密封环两大类型。
密封片结构紧凑，运转中与机壳相碰，密封片能向两侧弯曲，减少摩擦，且拆换方便。
密封环由6～8块扇形块组成，装入机壳与转轴中，用弹簧片将每块环压紧在机壳上，弹簧片压紧力约60～100N，当轴与齿环相碰时，齿环自行弹开，避免摩擦。这种结构尺寸较大，加工复杂，齿磨损后将整块密封环调换，因此应用不及密封圈结构广泛。
12.3 理想迷宫的泄露计算
给定下列几个条件：
1) 泄露气体是理想气体，不考虑焦尔-汤姆逊效应，即气体的焓只与温度有关；
2) 假设迷宫是连续的多缝口组成的一个系列，两缝口之间的膨胀室足够大；
3) 通过缝口的流动作绝热循环膨胀，在这里引用一个流量系数α；
4) 通过缝口之后的流动速度能量在膨胀室内因受等压支配而完全作恒温恢复，所以在每一个缝口之前的速度渐近为0，即不发生透气现象。
12.4 直通型迷宫的特性
由于在轴表面加工沟槽或各种形状的齿要比孔内加工容易，因此常把孔加工成光滑面，与带槽或带齿的轴组成迷宫，这就是直通型迷宫，因制作方便，所以直通型迷宫应用最广。但是，直通型迷宫存在着透气现象，其泄露量大于理想迷宫的泄露量。
12.4.1 迷宫特性的影响因素：
1) 齿的影响。根据国外所进行的试验得出：齿距一定时，齿数越多，泄露量越少。齿距改变时，齿距越大，泄露量会急剧下降，同时还可以减少透气现象的影响。
2) 膨胀室的影响。国外对膨胀室深度的影响进行过试验研究，结论是浅的膨胀室对减少泄露量有利。
根据对膨胀室流动状态的观察，认为浅膨胀室中的旋涡是不稳定的。由于旋涡能很快地把能量耗尽，所以膨胀室的渐近速度减小，起到减小泄露的效果。
3) 副室的影响。所谓 “副室”是指直通型迷宫光滑面上开的附属槽，开槽后迷宫中的流动状态立即发生明显的变化。试验证明，只要副室的位置恰当，泄露量的减少率是相当大的。
12.5 迷宫式气体密封的间隙
除特殊情况外，一般气轮机、燃气轮机等叶轮机械都采用迷宫式气体密封。其径向间隙应根据以下因素选取：轴承间隙，制造公差与装配误差，部件的变形（如铸件收缩和失圆），转子的挠度，以及通过临界旋转频率时的振幅，热膨胀以及由此引起的变形等。在多种情况下，热膨胀的影响最突出。因此，对启动与停车时单个部件尺寸的变化，以及部件的相对位移必须预先估算。可用静态和动态有限元算法出随时间变化的热膨胀规律，由此可了解哪些是临界条件，间隙实际上应当多大尺寸。
12.5.1 迷宫密封设计的注意点
总结迷宫密封设计中积累的经验，归纳起来有下列要点：
1）尽量使气流的动能转化为热能，而不使余速进入下一个间隙。齿与齿之间应保持适当的距离，或用高-低齿强制改变气流方向。齿间距一般为5～9mm。
2）密封齿要做得尽量薄,并带锐角。齿尖厚度应小于0.5mm，运行中偶尔与轴的相碰时，齿尖先磨损而脱离接触，不致因摩擦出现轴的局部过热而造成事故。
3）由于迷宫密封泄露量大，因此在密封易燃、易爆或有毒气体时，要注意防止污染环境。采用充气式迷宫密封，间隙内引入惰性气体，其压力稍大于被密封气体压力；如果介质不允许混入充气，则可采用抽气式迷宫密封。
基础知识——螺旋密封
螺旋密封应用于许多尖端技术部门，如气冷堆压缩机密封、增殖堆钠泵密封等。有时也用于减速机高速轴密封。它的最大优点是密封偶件之间既使有较大的间隙，也能有效的起密封作用。如设计合理，其使用寿命可达无限大。由于可以从材料上作广泛的选择，且制造上极其容易，当压差不大时，螺旋密封功率耗损和发热都很小，用冷却水套散热已足够。螺旋密封往往需要辅以停车密封，这样就使结构复杂，并加大了尺寸，故常使应用受到限制。螺旋密封可用于高温、深冷、腐蚀和带有颗粒等的液体，密封条件苛刻，密封效果良好。
13.1 螺旋密封的密封机理
螺旋密封的轴表面开有螺旋槽，而孔为光表面，这同迷宫密封的开槽情况是一致的，所以可以把螺旋密封看成是迷宫密封的一种特殊型式，称为螺旋迷宫。但是，螺旋迷宫的齿是连续的，不象前述的各种迷宫的齿是连续的齿。由于齿的连续性，通过齿的介质的流动状态发生变化。螺旋槽不再作为膨胀室产生旋涡来消耗流动能量，而是作为推进装置与介质发生能量交换，产生所谓的“泵送作用”，并产生泵送压头，与被密封介质的压力相平衡，即压力差 p=0，从而阻止泄露。所以在密封机理上与迷宫密封略有不同。但是，介质在通过间隙时会有一部分越过齿顶留过，而不沿槽向流动，即有透气效应，这和迷宫密封中的情况是一样的。
根据螺旋结构，螺旋密封的密封机理又稍有区别。
单段螺旋，它利用螺旋杆泵原理，利用螺旋的泵送作用，把沿泄露间隙的介质推赶回去，以实现密封。它适用于密封液体或气液混合物，无须外加封液，常用于轴承封油。须注意的，螺旋的赶油方向需与油的泄露方向相反，否则，不但不能实现密封，反而会导致泄露量急剧增加。
两段旋向相反的螺旋，将封液挤向中间，形成液封。液封的压力稍大于或等于被密封介质的压力，即能实现密封。常用于密封气体或密封真空。
两段旋向相反的螺旋在高旋转频率下将气体向两侧排出，使中间形成高真空陷阱以实现密封。这种密封可用作真空密封。
从理论上讲，螺旋密封的间隙小则对确保密封越有利。如果间隙大，则液体介质不能同时附着于轴的表面上。假设液体介质仅附着于孔壁而与轴分离，则螺旋密封不起推赶介质的作用，即密封失效。但是，间隙太小，又怕轴与孔壁相碰。为避免产生密封金属偶件的摩擦与，磨损，可在孔壁表面涂上一层石墨。
13.2 迷宫螺旋密封
迷宫螺旋密封在工业上使用还是不久以前的事，它与螺旋密封的不同之处在于：在轴表面车制了螺旋槽，在密封的孔上也车制成螺套，而且具有与轴相反的螺纹旋向，使轴与螺套间的流动形成强烈的紊流。此外，迷宫螺旋密封的螺旋运动速度要比螺杆密封的高，它在紊流工况下用于低粘度液体。螺旋密封一般用于层流工况下大粘度液体（如粘度大于水的液体）。
工作原理：在螺杆与螺套之间的工作空间内，液体位于螺套两齿面和螺杆两齿面所围成的若干个蜂窝状的空间内。螺杆与螺套表面间的缝隙呈带凹槽的环形柱面。液体通过这些螺纹时形成旋涡，方向与流出方向相反。由于螺杆绕流液体的动量交换结果，螺杆将能量传给液体。螺旋和螺套与液体相互作用，其结果在通过螺杆与螺套之间间隙的名义分界面上产生摩擦力。液体中产生的摩擦力就在螺杆与螺套之间产生了压力。
基础知识——机械密封
14.1 机械密封的工作原理
机械密封又称端面密封（Mechanical Seal），是旋转轴用动密封。机械密封性能可靠，泄露量小，使用寿命长，功耗低，毋须经常维修，且能适应于生产过程自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质、含固体颗粒介质等苛刻工况的饿密封要求。
机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持接合并配以辅助密封而达到的阻漏的轴封装置。
机械密封与软填料密封比较如下：
优点：
1）密封可靠，在长期运转中密封状态很稳定，泄露量很小，其泄露约为软填料密封的1%；
2）使用寿命长，在油、水介质中一般可达1～2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上；
3）擦功率消耗小，其摩擦功率仅为软填料密封的10%～50%；
4）轴或轴套基本上不磨损；
5）维修周期长，端面磨损后可自动补偿，一般情况下不需经常性维修；
6）抗振性好，对旋转轴的振动以及轴对密封腔的偏斜不敏感；
7）适用范围广，机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率，以及各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封。
缺点：
1）较复杂，对加工要求高；
2）安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的技术水平；
3）发生偶然性事故时，处理较困难；
4）价高。
机械密封前的准备工作：
1）检查机械密封的型号、规格是否符合设计图纸的要求，所有零件（特别是密封面、辅助密封圈）有无损伤、变形、裂纹等现象，若有缺陷，必须更换或修复。
2）检查机械密封各零件的配合尺寸、粗糙度、平行度是否符合设计要求。
3）使用小弹簧机械密封时，应检查小弹簧的长短和刚性是否相同。
4）检查主机的窜动量、摆动量和挠度是否符合技术要求，密封腔是否符合安装尺寸，密封端盖与轴是否垂直，一般要求：轴窜动量不大于±0.5mm；轴摆动量（旋转环密封圈处）不大于0.06mm；轴最大挠度不大于0.05mm；密封端盖与垫片接触平面对中心线的不垂直度允许差0.03～0.05mm。
5）应保持清洁，特别是旋转环和静止环密封面及辅助密封圈表面应无杂质、灰尘。不允许用不清洁的布擦拭密封面。
6）允许用工具敲打密封元件，以防止密封件被损坏。
14. 2 机械密封材料
摩擦副材料
根据统计，机械密封的泄露大约有80%～95%是由于密封端面，摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外，主要是摩擦副的材料问题。
摩擦材料应具备下列条件：
1）机械强度高，能耐压和耐压力变形；
2）具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好；
3）配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀；
4）耐磨性好，寿命长；
5）导热性和散热性好；
6）耐高温性好；
7）抗热裂性好；
8）耐腐蚀性强；
9）线膨胀系数小，能耐热变形和尺寸稳定性好；
10）切削加工性好，成型性能好；
11）气密性好；
12）密度小。

不停车带温带压密封技术
随着社会文明程度的进步，科学技术的不断发展，促进了很多诸如石油、冶炼、发电、石化、化工等工业生产装置逐步趋于大型联合化，有着规模矩大，生产工艺流程复杂，控制难度大等特点。高耸的塔架、形态各异的釜、罐等压力容器和密如蛛网的管道，已成为现代化工业文明的标志。然而，由于这些生产装置规模巨大、生产工艺流程日趋复杂，而且只有在高温、高压下完成，才能够提高生产效率，减少能量损耗。例如：炼油厂炼油装置塔底换热器导热油的温度高达300°C以上，高压聚乙烯需在13-30Mpa和300°C高温条件下才能聚合而成。火力发电厂炉顶汽包温度高达550°C，压力在11Mpa以上。而传输的各种介质种类繁杂，其中不乏有毒有害、易燃易爆和各种腐蚀性很强的物料。正是这些因素使得生产设备在高温、高压作用下，高流速和介质的腐蚀冲刷下，工业泄漏的几率增加。众所周知，泄漏给正常生产带来了极大的危害和无穷的烦恼。泄漏往往是引发重大事故的直接祸根。尤其在石油化工中的原料成品及半成品绝大部分是属于易燃易爆的危险品，这在生产高度集中的现场，一旦引发火灾、爆炸，必定会产生连锁反应，后果更是不堪设想！而及时有效的治理泄漏，保证生产装置正安全、稳定、长周期运行，创造无泄漏企业。也称为现代化企业共同追求的目标。
不停车带温带压密封技术起源于19世纪20年代初，美国人凯勒.富尔曼受橡胶工业中“热注塑成型”原理的启发，将其应用于解决工业化生产中的动态密封，并在海军舰船蒸汽动力系统中封堵成功。这种行新的动态密封技术打破了人们印象中出现泄漏时，只有在停车停产后，才能进行检修处理传统观念。它具有许多停车检修所不能比拟的优点。尤其在连续化大型生产装置中，不停车堵漏治漏占有相当重要的位置。可以这样形容：不停车带压动态密封的出现，是密封行业的一场革命。
不停车带温带压密封技术在我国虽起步较晚，但发展必较迅速。从19世纪80年代我国专业技术人员借鉴国外堵漏技术研发发展至今，该技术在我国已经发展成为一门比较成熟的动态密封技术。在国内也雨后春笋般的相继成立了几十家密封堵漏公司和队伍。他们将该技术在国内包括：石油、化工、发电、冶金等行业在内的许多企业推广和应用，为企业治理泄漏、安全正常生产保驾护航，发挥了重要的作用。为国家创造了非产可观的经济效益。同时，该技术在实践中又得到长足得发展进步，一些相关的专业产品和技术已经达到国际较先进的水平。
不停车带温带压密封技术的原理可以这样描述：即在设备泄漏点外建立起一个新的密封空腔结构（又被称为“卡具”）与泄漏点设备紧密固定，通过专用液压工具系统做功，产生一个高于泄漏装置系统压力的比压，将专用密封剂强行注入这个密封空腔内，通过系统压力、密封腔、和密封剂等的共同作用，在泄漏点完成一个二次密封。而整个施工过程中，都是在设备正常运转、带温带压条件下完成的。因此，我们将不停车带温带压密封技术这样定义：在生产正常运转情况下，在保持系统内介质原有状态（温度、压力、速度）下，在不破坏原有密封结构条件下，对系统泄漏处进行封堵，称为不停车带温带压密封技术。

MDS · 发表于 2008-11-28 17:33:56

谢楼主！好资料！分享了！

yg1075 · 发表于 2008-11-28 18:19:26

不错，收藏了，谢谢楼主，以资鼓励

yang-z-x · 发表于 2008-12-16 14:10:30

我也得表示表示对楼主的感谢，不错。

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密封基础知识（二）

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