高速透平离心压缩机干气密封设计技术

【摘 要】在简要论述干气密封的工作原理、典型结构、超高速运转的干气密封特点的基础上，详细分析了超高速透平离心压缩机干气密封设计技术，包括结构、材料选用、旋转件的强度计算、降低运转振动采取的措施，有关试验技术，实际运行情况。

【关键词】透平离心压缩机；干气密封；振动；螺旋槽

1.干气密封工作原理

1.1简介

干气密封是美国John Crane 公司上世纪六十年代开始研究的气膜润滑端面密封，八十年代♒达到实用化。干气密封是一种“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，是目前世界上最先进的一代高速透平离心压缩机轴端密封。其主要应用于天然气管线、炼油、石油化工、化工等行业的透平压缩机，用于密封各种危险性工艺流程气体、以便维持主机的正常运转，降低物料和能源的消耗、防止环境污染，保证人身及设备安全。干气密封有以下特点：可靠性高，使用寿命长，密封气泄漏量小，功耗极低，工艺回路无油污染，工艺气亦不污染润滑油系统，取消了庞大的密封油供给及测控系统，占地面积小，重量轻，运行维护费用低，减少了计划外维修费用和生产停车。

干气密封要取得优化的性能需要保持间隙稳定，同时为减小泄漏希望间隙很小，但是又能够使密封面不会发生接触，即使是在因各种原因发生轴向移动时也要能够保持这个间隙。干气密封是通过开启力和闭合力之间的动力平衡来实现这一功能的。

在动力平衡条件下，作用在密封上的力如图1所示。

闭合力Fc，是气体压力和弹簧力的总和。开启力Fo是由端面间的压力分布对端面面积积分而形成的。在平衡条件下Fc=Fo，运行间隙大约为3微米。

如果由于某种干扰使密封间隙减小，则端面间的压力就会升高，这时，开启力Fo大于闭合力Fc，端面间隙自动加大，直至平衡为止。类似的，如果扰动使密封间隙增大，端面间的压力就会降低，闭合力Fc大于开启力Fo，端面间隙自动减小，密封会很快达到新的平衡状态。

这种机制将在静环和动环组件✯之间产生一层稳定性相当高的气体薄膜，使得在一般的动力运行条件下端面能保持分离、不接触、不易磨损，延长了使用寿命。

2.超高速干气密封设计技术要点

以某厂天然气压缩机为例。干气密封结构图见2。该压缩机工作参数如下：

入口压力（MPaG）1.5ฎ0，温度40°C

出口压力（MPaG）2.85，温度150°C

密封设计压力：2.2MPaG。

2.1降低密封副的工作温度

①降♀低密封副的发热量：

②对密封进行冷却：

密封装在压缩机转子两端，压缩机工作温度约60°C～70°C，使干气密封工作温度较高，不利于密封自身散热，只能采取外部手段进行冷却。

本台天然气压缩机干气密封的主密封气采用氮气，气源温度约20℃。氮气经密封端面泄漏后会带走部分热量，但干气密封泄漏量较小，约在3Nm3/h左右。主密封氮气吸收的热量有限，还需通过前置缓冲气对密封进行冷却，也隔断机内高温气体的热量向密封扩散。用户要求前置缓冲气采用压缩机出口气，其温度为150℃，需要预先强制水冷，具体实施由用户负责。通常前置缓冲气供气量10Nm3/h，为便于密封散热，应将供气量提高至15Nm3/h。

2.2动环箍的设计

动环箍热装时注意：

A.钛金属是化学活泼性高的金属，在高温中能与多种化学元素反应，加热过程容易氧化和吸气产生氢脆，故加热温度不宜太高。如果在真空炉中加热，可通入ฒ氩气保护。

B.钛金属对缺口敏感性大，要求加工表面质量高。

2.3降低密封旋转件振动措施：

如上面所述，旋转件产生的振动对密封是很不利的，所以必须严格控制旋转件振动。动不平衡是旋转件振动的根本原因，必须保证旋转件做动平衡试验时的精度。动平衡应满足国家标准《刚性转子平衡品质许用不平衡的确定》（GB9239-88）的G2.5级要求。做动平衡的顺序如下：首先将试验工装做平衡；然后将密封旋转件装在试验工装上做平衡。为避免旋转件孔与试验工装外圆装配时产（下转第232页）（上接第201页）生偏心误差，必须解决好两个问题：

①旋转件内孔――试验工装外径之间的配合一般是F7/h6：Φ100 F7（）/Φ100h6（），最小间隙0.036mm，最大间隙0.093mm。为了减少装配偏心误差，将配合改为非标准公差带：Φ100（）/Φ100（），单件生产对工艺成本影响很小，最小间隙0.03mm，最大间隙降为0.06mm。

2.4试验技术

为保证密封在试验机上正常运转、降低振动，设计试验工装结构时尽量提高结构刚度、联接刚度，使结构能够减振、避振，阻断振动传递。

超高速试验时，试验机与工装散热面积小，工作温度很高，会达到150℃；而密封在压缩机上实际运行时散热面积大，工作温度不会很高。

为保证正常试验，必须对试验机和试验工装外表面强制风冷。

另外，超高速干气密封的设计还应在密封端面的螺旋槽技术方面做特殊处理，本文在此不做讨论。

3.现场运行结果

该压缩机干气密封安装后运行状态良好，转速14080rpm；主密封泄露量为1.4Nm3/h；压缩机转子原来振动值50μm，现在振动值为15μm。一切运行指标合格，达到预期性能。

4.结论

实践证明，本文提出的超高速干气密封结构设计简便可行，计算方法简洁容易，具有一定的通用性。解决了超高速干气密封的设计难点，为超高速透平离心压缩机的广泛应用提供了有力支持。 [科]

【参考文献】

[2]胡国桢著.化工密封技术.化学工业出版社，1978.