迷宫密封[科学书苑]

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1、迷宫密封的形式及其特点和用途在泄漏通道内由许多齿或槽组成迷宫式的间隙，对被密封产生节流效应而起密封作用，这种密封形式叫迷宫密封。它具有在高速条件下有良好的密封性能，不需润滑，无摩擦，维修简单，使用寿命长，不需要采用其他密封材料的优点。但是加工精度高，难于装配。它主要用于密封气体，在汽轮机，燃气轮机、压缩机、鼓风机的轴端和级间均广泛采用迷宫密封。对一般密封所不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位特别有效。图1a为直通形迷宫，结构简单，形状很像梳齿，密封有很大的直通效应。图1b为复合直通形迷宫，是台阶和梳齿复合组成的,使密封性能有所改善，但加工复杂，直通效应减弱。图1c为参差形迷宫，齿间有足够

2、的距离，膨胀腔愈大，密封效果较好。图1d为阶梯形迷宫，结构在径向尺寸上有所变化，适用于径向-轴向密封。图1迷宫密封的形式迷宫密封的工作原理：由于在转轴的周围依次排列着许多环形密封齿，当气体经过每一个密封齿时，气流经间隙高速进入环形空腔后，突然膨胀而产生强烈的漩涡，使气流的大部分能量转化为热量而散失掉，使焓值恢复到接近于间隙前的值，这时气体压力逐级下降，从而达到密封的效果，如图2所示。图2迷宫密封的工作原理 文章来源：密封技术网 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

3、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。一、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。1、摩阻效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

4、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。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，流束的截面减少。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，气体通过孔后的速度也有变化，设在理想状态下的流速为u1，实际流速度比u1小，令Cd为速度系数，则实际流速度u1为u1=Cd u1 于是，通过孔口的流量将等于q=CcCdA u1式中CcCd=a(流量系数)。迷宫缝口的流量迷宫缝口的流量系数，与间隙的形状，齿顶的形

5、状和壁面的粗糙度有关。对非压缩性流体，还与需诺数有关;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a=l，计算的泄露量是犏大。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

6、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问隙前的值，只有小部分动能仍以余速进入下一个问隙，如此逐级重复上述过程。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

7、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，直接越过各十齿顶流向低压侧，把这种一掠而过的现象称为”透气效应”。二、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68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60100N，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。三、理想迷宫的泄露

8、计算给定下列几个条件：1)泄露气体是理想气体，不考虑焦尔一汤姆逊效应，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a;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。四、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7L内加工容易，因此常把孔加工成光滑而，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。1、迷宫特性的

9、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。齿距政变时，齿距越大，泄露量会急剧下降，同时述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而上开的附属槽，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。五、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

10、轮机械都采用迷宫式气体密封。其径向问隙应根据以下因素选取：轴承问隙，制造公差。与装酡误差，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，热膨胀的影响晟突出。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。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问隙。齿与齿之问应保持适当的距离，或用高-低齿强制改变气流方向。齿间距一般为

11、59mm。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，问隙内引入惰性气体，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。 文章来源：密封技术网 离心密封介绍 2009年12月17日 09:47 点击数：214核心提示：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

12、。 .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。 离心密封有光滑圆盘、背叶片、副叶轮等多种型式。图10-1所示是甩油盘结构。它是最常见的光滑圆盘离心密封，其中图10-1A型结构最简单，就密封能力而言，图10-1D型设计较合理，图10-1C型是最常用的一种型式，因为这种型式既有较好的密封性能，又便于制造。甩油盘密封白广泛用于各种传动装置密封润滑油或其他液体。 图10-2为最简单的离心密封，是在光滑轴上车出一、二个环槽，以阻止液体沿轴爬行，使液体在离心力作用下沿沟槽端面径向甩出，由集液槽

13、引至回液箱。这种密封型式常用作低压轴端密封。 背叶片密封（图10-3）和副叶轮密封（图10-4）是离心泵常用的轴封装置。副叶轮密封一般都在密封腔内侧设置若干个固定导叶片，可以起稳流和部分消除副叶轮光滑面的增压作用，提高副叶轮的密封能力。 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。 离心密封的减压能力 背叶片密封 如果工

14、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/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。 由此，根据图10-5可求出经背叶片减压后的压头Hbr 式中U2、Ur、Ub分别为直径D2、Dr、Db处液体的线速度。 在式10-1的第二项中光滑轮部分液体角速度为 =/2 式中10-1的第3项中有背叶片部分的液体角速度显然大于/2，但仍小于工作轮的角速度，因为背叶片与泵壳之间存在一定间隙。 式中工作轮后盖板与泵壳间隙中液体的角速度，r/s； 工作轮的角频率，r/s； S泵壳与工作轮

15、后盖板的平均距离，cm; t背叶片的平均高度，cm; 式中Hbr背叶片减压后的能头，单位为J/Kg; n工作轮旋转频率，单位为r/min； D2工作轮外径，单位为m； Dr背叶片外径，单位为m； Db轴或轴套外径，单位为m； H2蜗壳内的能头，单位为J/Kg. 在普通离心泵中，如果略去蜗壳内摩擦引起的能头损失和吸入管的速度头，则蜗壳内的能头就等于泵的总能头减去蜗壳内的速度头即 式中H泵的总能头，单位为J/Kg; C3蜗壳内液体平均流速，单位为m/s，由实验方法确定。 计算时，背叶片厚度t可先选定，一般取0.51.0cm。背叶片与壳的间隙（s-t）随加工精度而异。当零件精度为46级时，一般取（s

16、-t）=0.030.3cm(小泵取小值)。 副叶轮密封 副叶轮密封能力的计算与背叶片密封基本类似。如图10-6所示的副叶轮所能克服的压差为： 式中C1副叶轮叶片与密封腔壁面间隙中液体的角频率与叶轮角频率的比值： Di液体的自由表面的直径。 因此 当液面位于D0处，即Di=D0时，副叶轮产生的压差为最大，并设Dk=D0，并以 代入式10-6，则副叶轮所能克服的最大压差 式中液体密度，单位为Kg/; n叶轮旋转频率，单位为r/min； D0、D1分别为副叶轮叶片内、外径，单位为m； C与叶片结构有关的经验修正系数； 当间隙3mm时，取C=0.750.8, 间隙3mm时，取C=0.850.9, 副叶

17、轮密封的叶片形状，有直叶片和后弯叶片两种。实验表明，后弯叶片的扬程稍高于直叶片，但不显著。考虑加工方便，普通采用径向直叶片。叶片的数目在超过6片以后对提高扬程不很明显，一般采用812片。 通常所说的副叶轮密封，一般包括背叶片及副叶轮两个部分。此时副叶轮密封所能克服的压差为 离心密封的功率消耗 光滑盘的轮盘摩擦损失 当叶轮旋转时，充满轮盘与壳体间的液体由于被叶轮挠动产生复杂的运动而消耗一部分功，这种损失称为轮盘摩擦损失。 如图10-7所示，直径为D2（或半径r2）的圆盘以角速度旋转，设与圆盘表面接触的液体处于紊流状态，则作用在半径r处微块上的摩擦力为 式中dRu摩擦阻力切向分力； 液体密度，单位

18、为Kg/m3 u轮盘半径为r处的圆周速度，单位为m/S； K1系数，与雷诺数、轮盘与外壳间隙及壳壁表面状态有关。 式中u2轮盘外径上的圆周速度，单位为m/s； D2轮盘外径，单位为m。 系数K可根据楚姆布什和普夫莱德尔等人提出的K与雷诺数的关系曲线（图10-8）求得。雷诺数Re=ur/v，这里v为液体的运动粘度系数（/s）。 副叶轮的功率消耗 副叶轮的功率消耗可按戈鲁别夫由实验得的经验式估算 D1副叶轮外径，单位为m; L副叶轮叶片高度与盖板厚度之和，单位为m； U1副叶轮圆周上的圆周速度，单位为m/s； p无因次功率，随副叶轮结构参数而异。 无因次功率可根据图10-9确定。在横坐标参数（2+

19、t）/D1和（2t+）/D1（符号意义参照图10-6）中，t为叶片的平均厚度，对叶轮功率消耗的影响比t大，因此，计算时 信息来源：密封 文章来源：密封技术网 密封知识连载（三） 之螺旋密封 2010年05月31日 09:14 点击数：175核心提示：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。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

20、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”，

21、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

22、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。13.3 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。 文章来源：密封技术网 8互联a类