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新型气体离心密封的试验研究

作者:admin  来源:本网 日期:2017-11-13 14:24:09

  基金项目:中央高校基本科研业务费项目(ZZ1010)1前言离心密封是利用回转体带动液体旋转使之产生径向离心压力以克服泄漏的装置,在密封气体时,由密封液产生的离心压力形成一液体屏障以密封气体10.当离心密封用于气体密封时,主要存在两个问题,一是当转速降低或停车时,密封能力丧失,需考虑停车密封2;二是密封液在较小的间隙下高速旋转,会产生大量的搅拌热H,导致密封液的温度升高甚至汽化。

  目前国内外对于密封液体用的离心密封研究较多,且主要集中在基于现有半经验公式的工程设计和改造上46,但是,对用于气体工况下的离心密封研究较少。国内仅停留在工程技术改造上,并未提出一种完整的用于密封气体的离心密封结构;国外学者对气体离心密封开展了一些工作08,但仅涉及内部流场的研究,没有考虑温度的影响,也未能给出各个操作参数对密封性能的影响。

  针对以上问题,本文提出一种具有连续注排密封液结构的离心密封装置。该装置通过不断更新密封液,可以有效地带走工作时产生的搅拌热;挡水盘心。压盖同时配置了气控滑阀式端面密封,保证了离心密封低速运转或停车时的密封性能。为了验证密封的有效性,设计并研制了双端面离心密封试验样机及气液控制系统,测量了密封液流量、温度等主要性能参数,分析了主轴转速、密封液注入压力等操作参数对密封性能的影响,为今后离心密封的优化设计提供了指导。

  2工作原理本文设计的离心密封装置如所示,该密封具有可连续注排密封液的结构,密封液由A口注入密封腔体内,并经高压侧环形积水槽E流入密封工作区域,离心叶轮旋转时,带动密封液旋转使之产生径向离心力,同时把腔体内的密封液分隔成两段,形成一旋转虹吸,实现了液体对两侧气体的分隔,而后密封液经低压侧环形积水槽F流出密封工作区域,并由B、C口回收。另外,配置了气控滑阀式停车密封,滑阀与密封腔体密封地滑动相连,且在靠近离心叶轮的端面上开有燕尾槽并安装了O形圈,停车时该侧端面与离心叶轮闭合,实现了端面密封,其中,可由D处通入控制气,调节滑阀的轴向移动。通过调节滑阀的启闭,有效的保证了离心密封在启动和停车时的密封能力。中间腔体动系统等。

  3.1离心密封样机离心密封样机结构如所示,由于是在试验台上进行,考虑轴向力平衡等因素,采用双端面密封的结构形式:密封介质使用压缩空气,并由D口通入密封腔体的中部;两侧的密封液由A1、A2口流入,B1、B2口流出;为了实现有效的停车密封,密封旋转时,由C1、C2口通入控制气,将两侧滑阀推开,密封静止时,由C1、C2口放空控制气,滑阀在弹簧的作用下回到原来的位置,实现停车密封。

  左端盖。

  弹簧左滑阀-左压盖甩水环为了使密封液的注入压力稳定且可调,设计了密封液控制系统;为了保证气控滑阀式端面密封在停车或低速运转时的有效运行,设计了控制气调节系统,气液控制系统如所示。

  压盖离心叶轮右端盖连续注排式离心密封结构3试验系统为了验证该离心密封装置能否安全可靠的运行,以及获得其在不同工况下的密封性能参数,设计并研制了连续注排式离心密封的试验系统。

  该系统主要包括离心密封样机、气液控制系统及传密封液控制系统主要包括稳压罐、高精度调节阀、电磁阀以及压力传感器等。采用气压液的控制方式,高压气体经过高精度调节阀后,进入稳压罐的上部,压力传感器将稳压罐内部的压力信号显示并输出,从而控制调节阀的开度,以获得设定的压力值。待稳压罐内部的气压稳定后,将密封液出口打开,在气压的作用下,密封液由稳压罐流入密封腔体。

  3.2.2控制气调节系统控制气调节系统主要包括电磁阀和高压气源等,密封高速运转时,利用控制气将左右滑阀推开,此时端面的停车密封停止作用。密封停车过程中,将控制气放空,在弹簧推力的作用下,滑阀恢复原来的位置。

  3.3传动系统密封样机安装在可调速电机上,其中电气部分主要通过工控机、工控卡板、可编程控制器、变频器、控制按钮等部件对机械系统和动力系统输入进行控制和调节。

  4试验方法本试验中,以水作为密封液,压缩空气作为密封介质,密封液在进入密封腔体之前的温度为为了验证离心密封的连续注排结构是否发挥作用,将密封液进出口关闭,调节密封介质压力、主轴转速等操作参数,测试了密封液的温度变化;然后,将密封液进出口打开,设定主轴转速,同时不断调节密封介质压力和密封液注入压力直至密封泄漏,此时的密封介质压力即为该转速下密封失效的临界压力;最后,为了单独研究主轴转速和密封液注入压力对密封液出口处流量及温度的影响,采取变化单操作参数,固定其余参数的方法进行了试验。

  5试验结果与分析通过改变设定值,测量了各个转速下密封失效的临界压力,获得了主轴转速与出口处密封液流量、温度的关系曲线,以及密封液注入压力与出口处密封液流量、温度的关系曲线。

  5.1转速的影响为主轴转速与密封失效的临界压力的关系曲线,由图可知,随着转速的增加,离心密封可以密封的介质压力逐渐增加。为了单独地研究转速的影响,将密封介质压力设为0.15MPa,密封液注入压力设为0.2MPa,调节主轴转速在4050 ~4400r/min范围内变化。

  转速与临界压力的关系(a)为密封液流量随转速变化的曲线。

  由图可知,在4050~4150r/min和4200~4400r/min区间内,随着转速的增加,密封液的流量逐渐减小,这是因为转速增加,离心叶轮的泵送能力增强,对密封腔体内液体的压缩增强,在密封液注入压力不变的情况下,流经腔体的流量逐渐减少;在4150 ~4200r/min区间内,密封液的流量迅速减小,这说明随着转速的增加,两侧的气液面位置差会减小,当靠近密封液出口侧的气液界面远离出口时,密封液的流量会迅速减少。因此,为了加大密封液的流量从而带走更多的热量,在设计中应尽量使密封液出口的位置远离旋转中心。

  (b)密封液温度转速对密封性能的影响(b)为密封液温度随转速变化的曲线,由图可知,密封液的温度随转速的增加而升高。对于密封液不能连续的注入和排出密封腔体的情况,其温度明显偏高,接近于密封液的沸点(水的沸点为1°C);但对于带注排结构的离心密封,其密封液温度低于75°C,而在4150~4200r/min这个区间内温度的迅速升高,是因为在该转速范围内密封液流量的减小造成的。

  该密封适合于高转速下的气体密封,而且转速越高,封压能力越强,设计的连续注排结构,有效的解决了密封液温升过快的问题,但转速的增加,会使密封液流量减少,温度升高,为了达到较好的冷却效果,应使密封液出口尽量远离旋转中密封液注人压力(MPa)(a)密封液质量流量密封液注入压6结语新型气体离心密封已成功应用于高转速下密封气体的场合,并且转速越高,密封能力越强,但过高的转速会导致流经腔体的密封液流量减小,密封液温度升高,影响密封的使用;而通过改变密封液出口位置和增加密封液注入压力的方式,可以起到加大密封液的流量,提高冷却效果的作用。

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