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逆流泵送机械密封试验研究
2017年05月10日 14:44 密封产业网

  前言逆流泵送机械密封是一种流体润滑的非接触式机械密封。其工作原理是依靠开设流体动压槽的一个端面与另一平行端面在相对运动时产生的泵吸作用把低压侧的液体反输至高压侧,从而实现无泄漏密封。由于逆流泵送机械密封端面在工作时被稳定的液膜隔开,是非接触运转,因而还具有磨损少、寿命长、能耗低等优越性。逆流泵送机械密封可以替代普通机械密封而且可以应用于高参数、易汽化、危险性流体等高难密封场合,是未来的理想机械密封之一。

  截止目前,国内虽对逆流泵送机械密封进行了基于理想模型的理论分析、结构优化和一定的性能研究工作,但对其综合性能缺乏全面系统深入地研究,未能有效地指导逆流泵送机械密封的产品开发和工程应用。为了尽快使逆流泵送机械密封在石油化工等相关领域推广应用,充分发挥其技术和经济优势,必须对其进行大量的性能研究特别是动态稳定性和可靠性方面的研究工作。

  逆流泵送机械密封基本结构类似于普通机械密封。不同之处主要是逆流泵送机械密封在密封端面上加工出一些流体动压槽,用以提高密封的流体动压效应。为了使逆流泵送机械密封在静置状态和旋转状态都能实现密封,将密封面分为密封区和开槽区。未开槽的密封区起到停车密封作用,防止液体在静止状态下由高压侧向低压侧泄漏。而开槽区在旋转时将高压侧泄漏至低压侧的液体或低压侧注入的缓冲流体经流体动压槽由内径低压侧朝外径高压侧泵送。所示为在密封动环端面(亦可在静环端面)加工的流体动压槽形状,槽线为对数螺旋线。当密封动环旋转时(图示结构为顺时针方向)低压侧液体由内径处进入螺旋槽,每个螺旋槽就象一个小容积的高压泵使液体沿流槽流动并逐渐增压,端面间液体压力升高后使在弹性载荷和介质力作用下保持贴合的两密封端面分离,并形成一层流体薄膜。该稳定的液膜既能起到密封作用又能起到润滑、冷却作用,使得逆流泵送机械密封在非接触状态下实现无磨损、无泄漏运转。

  3试验装置及试验条件是试验装置流程图。介质由齿轮泵从油槽中泵入冷却缓冲罐中,通过过滤装置后进入密泵试验装置流程所示为试验密封的结构布置,采用双端面小弹簧平衡式密封结构,内侧为普通的接触式机械密封,外侧为内径开槽的逆流泵送机械密封,试验动环材料为镶嵌WC硬质合金,静环材料为M106K石墨,在密封动环端面上加工出螺旋槽(见)。密封环的结构参数为:端面内径A =50mm端面外径D0=65mm动压槽径Dg=60mm面积比B=0.72螺旋入口角P=21槽坝宽度比7=1.5,槽堰宽度比bl. 5,动压槽深H=125,um,动压槽数N=12.几油,密封压力可在0~25MPa(本文所述压力均为表压)范围内动态调节缓冲流体可为清水、煤油、机油等本实阶段采用32机油作为缓冲流体,密封转速在0 ~3000r/min范围内变化,由变频器进行无级变速调节。

  实验过程中调节的主要参数有:密封腔内介质压力和旋转轴转速。测量的主要参数有:密封腔内介质压力及温度,内外密封端面温度,转速,端面摩擦扭矩,泄漏量,逆流泵送量,除泄漏量和逆流泵送量外,其它参数均由计算机测控系统自动采集记录。

  1密封特性封与普通机械密封在不同压力下的泄漏量曲线。此时逆流泵送机械密封的泄漏量是在不提供缓冲流体条件下测量的。可以看出,不提供缓冲流体的逆流泵送机械密封在压力升至1. 6MPa时才开始有微量泄漏,普通机械密封在压力升至0.6MPa时就出现泄漏。因此,逆流泵送机械密封的工作压力大大高于普通机械密封,而且泄漏量比普通机械密封小得多。

  泄漏量与介质压力的关系曲线4.2端面温升通常非接触式机械密封端面摩擦状态是通过膜厚的测量来确定的。用传感器测得的膜厚值并不能真实反映摩擦副端面之间的间隙,因为传感器的定位测量点并不在密封端面上;而且,实际工作状态下的两密封端面并非保持平行,当两者在内径或外径处接触时传感器仍能测得很大的间隙值。实验发现,密封端面温升(或端面温度)对摩擦副的摩擦状态非常敏感,当两者在局部位置相互接触时端面温度就会急剧上升,反映在摩擦扭定端面之间膜厚的大小,但可以据此判断摩檫副是处于接触状态还是非接触状态。另外,端面温升与摩檫功耗基本上成线性关系,即端面温升的大小反映摩檫功耗的高低,而摩檫功耗与摩檫状态是密切相关的。因此,端面温升是密封摩檫副的状态参数。在工程实际中,端面温度的确定比膜厚更具指导意义。

  端面温升是指密封端面温度与密封介质温度的差值,它主要与密封端面的摩檫热及密封的搅拌热等因素有关。它对密封的工作性能影响很大,过高的端面温升会导致端面流体膜产生相变,使密封处于非稳定的汽液混相摩檫状态,造成密封早期失效,同时,过高的端面温升会使密封环严重变形密封圈老化,甚至产生热裂等一系列问题而导致密封失效。因此,在工程应用中,常常通过密封端面温升的高低来决定是否对其采用冷却、冲冼等辅助措施,以改善密封的工作环境。

  件下改变压力时端面温升的变化情况。图中数据表明,随介质压力的升高两种密封结构的端面温升均增加,但逆流泵送机械密封的端面温升比普通机械密封低得多。

  为转速3000r/min时逆流泵送机械密封缓冲流体对端面温升的影响。可见,提供缓冲流体能够有效地降低端面温升,改善密封工作条件,而且可以达到密封介质无泄漏,只是系统结构稍微复杂一些。

  是转速为3000r/min时无缓冲流体条件下摩檫功耗与介质压力的关系曲线。可见,介质压力增大时摩檫功耗增大。显然,在相同工况下普通机械密封的摩檫功耗比逆流泵送机械密封大得多。表明逆流泵送机械密封的经济指标远高于普通机械密封。

  部气垫厚度有所下降,从而说明缝隙应均匀连续。

  (c)中的R=3曲线的厚度明显高于其它曲线,这说明R值越大气垫厚度的增加较为明显,但从风机的经济性考虑,R值应尽量小,由实验和数值计算中发现R值为2时就可以形成较连续的“气垫'射流速度增加,气垫厚度也相应增加,但增加的幅度并不成正比关系,而是增加的幅度逐渐减小;缝隙宽度增加,气垫厚度也在增加,但比射流速度增加对气垫厚度的改变要小;缝隙数量增加,气垫厚度也相应增加;气垫的厚度主要由叶片前半部分的射流决定,沿流动方向射流对气垫厚度的改变逐渐减小;在较小射流速度或较大缝隙间距时,实验测得的气垫厚度与数值计算结果符合得更好;实验测得的气垫厚度小于数值计算结果。

  在论证了本文提出的“气垫防磨”理论的可行性后,今后将会通过对气固两相流动进行数值计算和实验研究,以使这种防磨方法更趋完善。

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