［摘要］為了減少離心式氯氣壓縮機(jī)軸端密封泄漏量，提出一種將充抽氣迷宮式梳齒密封由兩腔式變?yōu)槿�腔式的方法，效果顯著，泄漏量減少了1．18m3/h。具體改造措施有3點(diǎn):①為了保障腔內(nèi)的密封氣壓力不因工藝氯氣的壓力變化而受影響，利用差壓變送器來(lái)維持工藝氯氣與密封氣之間的壓力差不變;②為了使差壓變送器獲取兩者的壓力差，在壓縮機(jī)軸端留有氯氣泄漏腔;③改變密封齒數(shù)。

目前我國(guó)氯堿工業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的用量快速增加，這些設(shè)備中包括離心式氯氣壓縮機(jī)。離心式氯氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于其密封系統(tǒng)的可靠性，如果由于裝置密封系統(tǒng)的原因?qū)е卵b置內(nèi)的氯氣泄漏，將造成嚴(yán)重的安全事故。離心式氯氣壓縮機(jī)的氯氣泄漏主要發(fā)生在兩端的軸端密封處。某型號(hào)的離心式氯氣壓縮機(jī)的軸端密封原采用充抽氣式迷宮密封，密封氣的壓力由氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制。在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，氯氣工況會(huì)發(fā)生改變，而密封氣的壓力卻不能隨之改變，導(dǎo)致密封氣無(wú)法滿足要求。該軸端密封存在弊端，有必要對(duì)其進(jìn)行改造升級(jí)。

 

1原軸端密封的基本情況

離心式氯氣壓縮機(jī)原軸端密封見圖1。該密封結(jié)構(gòu)主體是迷宮式密封，密封結(jié)構(gòu)中還開有抽氣孔和充氣孔，這也是不同于其他迷宮密封的地方。為了防止氯氣外泄，先利用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)密封氣壓力在4～5kPa，然后充入密封體。再利用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)抽氣腔壓力至－5～－4kPa［1］。為了形成內(nèi)部循環(huán)，防止氯氣外泄，將氮?dú)馀c氯氣的混合氣體送回一級(jí)入口。

2軸端密封的改進(jìn)

2．1機(jī)組密封方案確定

帶充抽氣的迷宮密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，系統(tǒng)的維護(hù)和檢修簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，需要的檢測(cè)控制儀器少，不需要相關(guān)的動(dòng)力系統(tǒng)和聯(lián)鎖報(bào)警設(shè)置，價(jià)格低廉，成本可控，性能可靠。由于可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)，其密封效果相對(duì)于非接觸型密封和浮環(huán)密封更好［2］。由于其密封氣不能根據(jù)工藝氯氣的壓力變化而進(jìn)行調(diào)整，故須利用差壓變送器來(lái)維持工藝氯氣與密封氣之間的壓力差不變。另外，為了使差壓變送器獲取兩者之間的壓力差，須在壓縮機(jī)軸端設(shè)置氯氣泄漏腔。

一、二級(jí)入口壓差比較小，因此將該組的氯氣壓縮機(jī)中的一級(jí)和二級(jí)葉輪入口設(shè)置在壓縮機(jī)軸端，并且利用管道連接兩級(jí)之間的入口泄漏腔，這樣兩側(cè)軸端的壓力將維持平衡狀態(tài)。采用平衡管連通一級(jí)和二級(jí)可以避免采用2個(gè)差壓變送器來(lái)控制一級(jí)和二級(jí)的密封氣壓力，同時(shí)也避免差壓變送器隨氯氣壓力波動(dòng)而頻繁工作，因此可大大降低控制系統(tǒng)和運(yùn)行維護(hù)的成本。

本文中#終設(shè)計(jì)的帶充抽氣的三腔迷宮式梳齒密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。平衡缸體兩端泄漏氣體壓力的泄漏腔為密封的第1腔;與之相鄰的為抽氣腔，即為第2腔;第3腔為#外層的密封腔。由第2腔抽出的氮氯混合氣體送入一級(jí)入口;第3腔充入用于密封的氮?dú)猓�可由差壓變送器調(diào)節(jié)其壓力;平衡腔壓力相對(duì)第3腔較低。這種密封方案效果顯著，在控制氮?dú)夂突旌蠚獾臍怏w含量在合理范圍內(nèi)的同時(shí)又可避免氯氣外泄。

 

2．2密封結(jié)構(gòu)的確定

可以通過(guò)以下3項(xiàng)措施保證密封效果:增加密封片的數(shù)量;減小齒縫的截面面積;增大氣流流通過(guò)程的局部阻力，從而提升氣體轉(zhuǎn)化為熱量的效率。

高低齒式迷宮密封原理是將梳齒片嵌入軸封環(huán)并壓緊，不同長(zhǎng)度的梳齒片交錯(cuò)排列，而軸表面被加工成環(huán)形臺(tái)階，其高度各不相同，原理如圖3所示。該環(huán)形臺(tái)階易于加工、裝拆，還可以改變氣流方向。在運(yùn)行過(guò)程中，為防止齒尖與軸相碰造成的軸局部過(guò)熱，應(yīng)使密封齒的尺寸要盡量小，并#好有銳角。

根據(jù)以上分析結(jié)果，本文中設(shè)計(jì)了軸套上環(huán)狀臺(tái)階與軸封環(huán)共同組成高低齒式迷宮密封，其中鑲?cè)胼S封環(huán)上的鎳帶是將Φ1的不銹鋼絲嵌進(jìn)0．2mm厚的鎳片中而制作完成的(密封齒結(jié)構(gòu)見圖4)。

2．3密封齒的確定

迷宮密封本身就不可完全避免漏氣，而漏氣又會(huì)導(dǎo)致密封裝置內(nèi)壓力下降，應(yīng)該采取措施平衡密封前后的壓力差。可見，要使密封效果較好，應(yīng)使密封間隙盡可能小，密封齒數(shù)盡可能多;但當(dāng)齒數(shù)增加到一定量后，對(duì)密封效果的影響則有限，且限于裝置體積的要求，不宜過(guò)多。故應(yīng)合理選取密封齒數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，葉輪前后的級(jí)間密封以及軸端密封都應(yīng)該選取合適的齒數(shù)。前者應(yīng)在3～6齒;后者范圍相對(duì)較大，應(yīng)在6～35齒。

密封間隙對(duì)設(shè)備的影響較大，其取值應(yīng)合理。過(guò)大，則密封效果差;過(guò)小，則轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與密封齒之間的摩擦。確定密封間隙的主要條件為:①轉(zhuǎn)子與定子在壓縮機(jī)正常工作時(shí)不應(yīng)發(fā)生相對(duì)摩擦，并且盡量減少漏氣;②壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的靜撓度、轉(zhuǎn)子的徑向跳動(dòng)等滿足要求;③離心力產(chǎn)生的動(dòng)撓度、軸承間隙、臨界旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)的振幅，正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子軸頸軸心與軸承軸心偏心值、定子的熱變形等滿足要求［3］。綜合以上因素和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取密封間隙為0．5mm，誤差允許范圍為0．45～0．55mm。比較上文分析的密封間隙或者齒數(shù)，密封腔深(h)、密封齒間距和環(huán)狀臺(tái)階高度對(duì)密封效果的影響相對(duì)較大，故還應(yīng)該對(duì)這部分因素進(jìn)行校核計(jì)算。

根據(jù)常規(guī)工程設(shè)計(jì)要求，本文中設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)軸端處直徑D的系數(shù)值為0．3，根據(jù)式(3)可計(jì)算出#小間隙。

查閱表1中#小間隙為0．25mm，而計(jì)算出的常規(guī)工程設(shè)計(jì)中的#小間隙為0．2174mm，小于表1中的給定值，可知該密封設(shè)計(jì)滿足要求。根據(jù)通常的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，Ω/s=9～35，而該軸端密封Ω/s=18，也滿足要求。

2．4泄漏量的計(jì)算

本文中設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)共有3部分，在本節(jié)中僅校核二級(jí)入口與平衡腔間的泄漏量［4］。

(1)shou先判斷氣流是否達(dá)到音速。

氣流經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)，在管道出口可能達(dá)到的#大速度稱為音速。可根據(jù)下式判斷氣流是否達(dá)到音速［5］。

由式(6)和式(7)可以看出:絕熱指數(shù)k與密封齒數(shù)z是影響密封氣體的臨界壓比的僅有的兩個(gè)因素，若已知這兩個(gè)參數(shù)，可完全確定密封氣體的臨界壓比。本文中的介質(zhì)氣體氯氣的絕熱指數(shù)和shou段密封齒數(shù)分別為1．35和22，將其代入式(6)和式(7)，可計(jì)算出臨界壓比(p1/p2)cr=6．06473。p1為密封前氯氣的二級(jí)入口壓力，p2為平衡氣壓力，兩者的比值即為本文設(shè)計(jì)的密封的進(jìn)出口壓比。由p1=0．153MPa(A)，p2=0．118MPa(A)，則可計(jì)算出密封前后壓比p1/p2=1．29661。由式(5)可知密封中的氣體未能夠達(dá)到音速。前文中的數(shù)值計(jì)算的結(jié)果也表明為亞聲速流動(dòng)，馬赫數(shù)#大值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)壁面處，約為0．3。

(2)核算密封泄漏量。

由于密封方式是高低齒密封，故本文中通過(guò)計(jì)算高齒和低齒截面積的平均值作為密封間隙的截面積，由下式計(jì)算平均值［6］。

根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可以查得曲折型密封的泄漏系數(shù)α范圍，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的范圍和本文數(shù)據(jù)，本文中取α=0．7。由式(9)和相關(guān)數(shù)據(jù)可計(jì)算出qmin為7．06m3/h。用同樣的校核計(jì)算方法可以計(jì)算原來(lái)兩腔充抽氣軸端密封的泄漏量為8．24m3/h。可得三腔充抽氣軸端密封可減少泄漏量1．18m3/h。本文中設(shè)計(jì)的離心式氯氣壓縮機(jī)的總流量約為7200m3/h，可計(jì)算出軸端密封的泄漏量約為氣體總流量的0．12%。由于這些泄漏的氣體可參與密封的內(nèi)循環(huán)，正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)造成泄漏，故可知本文中設(shè)計(jì)的離心式氯氣壓縮機(jī)在正常工況下可以滿足生產(chǎn)要求［7］。

 

3結(jié)語(yǔ)

改造后的離心式氯氣壓縮機(jī)已應(yīng)用在山東、山西、黑龍江、內(nèi)蒙古等地的多家企業(yè)，軸端密封至今未發(fā)生外泄事故，受到了用戶的一致好評(píng)。