1、化工装备流体动密封技术(Dynamic Sealing Technology for Process Equipment ),实现以人为本健康安全环保经济现代化生产新理念,讲授内容,一、流体动密封基本类型 二、填料密封技术（）三、接触式机械密封技术 （）四、非接触式机械密封技术（）五、流阻型密封技术六、动力反输型密封技术七、封闭式密封技术,流体密封按运动方式分流体动密封（Dynamic Seals)用于机器中将两流体空间隔开并作相对运动（旋转、螺旋、往复摆动）的部件之间的密封。分旋转密封(rotating seals)、往复密封(reciprocating seals)、复合运动密封(comp
2、lex moving seals)等。伪静密封或微动密封（Pseudo-static Seals)介于静密封与动密封之间的密封形式，表面为静密封，实则为动密封，如机械密封中补偿环用辅助密封(secondary seals)。封闭式密封(closed seals)或转化为静密封的动密封如屏蔽泵(screened pumps)、磁力传动泵(magnetic transmission pumps)和全封闭式压缩机(closed compressors)等将动密封转化为静密封的机器设备。,流体动密封主要形式,接触式动密封。 软填料密封。 成型填料密封。 油封、防尘密封。 接触式机械密封。非接触式动密封
3、。 非接触式机械密封（气膜、液膜密封）。 迷宫密封。 浮环密封。 间隙密封。 螺旋密封。 离心密封。 磁流体密封。封闭式密封。组合式密封。,二、填料密封技术,填料密封包括：软填料密封；硬填料密封（活塞环、分瓣环、锥形环）；成型填料密封（O形圈、V形圈等）；油封和防尘密封。,软填料密封：压盖填料（Gland Packing)密封、盘根（Packing)密封。应用场合：旋转运动：离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜。往复运动：往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞杆。螺旋运动：阀门的阀杆与阀座。,(一)、软填料密封技术,1.1 基本结构,1.2 软填料密封的原理,流体通过软填料密封泄漏的机理分析泄漏根本原因：存
4、在动力：即压力差、浓度差，或沿泄漏方向有相对运动；存在泄漏通道。泄漏途径：通过填料与静止件界面的泄漏通过填料本身的泄漏（渗透泄漏）通过填料与运动界面之间的泄漏,应力特征：径向应力分布,流体压力分布,为保证密封，理论上，填料底部的径向压力密封介质压力。介质压力分布与径向压力相反，密封力没有发挥作用，反而相反地对轴起磨损作用有时甚至烧轴，此乃填料密封的最大缺点，在一般情况下很难避免。,图 软填料密封压力分布,软填料密封的磨损与润滑,1.3 软填料密封结构设计,结构的基本要求：径向应力分布均匀，且与泄漏介质压力分布规律一致；考虑冷却和润滑措施，及时带走摩擦热；设置自动补偿装置（降低应力松弛）；装拆方
5、便（集装式、箱体剖分等）；防止填料挤出（隔环、组合式填料等）；防止腐蚀或磨蚀；体现上述思想的一些新结构。填料函主要结构尺寸（图4-9，根据有关标准确定）。,填料的组合安装,一些新型填料函结构,2.1 软填料的分类、结构和材料,按功能：阀门用填料、离心泵用填料、往复压缩机用填料。按材料：橡胶、天然纤维填料、合成纤维填料和金属填料等。按加工方法：绞合填料、编结填料、叠层填料和模压填料。（图4-2）其中的编结填料按编织方式又分为：夹心套层式编结填料、发辫式编结填料、穿心式编结填料。（图4-3）,分类与结构：,软填料材料组成,基体材料：橡胶：天然橡胶、合成橡胶（NBR、CR、SBR、EPDM）；纤维：
6、矿物类（石棉、柔性石墨）；植物类（棉花、麻）；动物类（皮革、毛发）；合成类（人造丝、各种合成纤维）。辅助材料：金属、润滑剂、防腐蚀剂,2.3 填料的选择、安装和使用,（1）密封填料的正确选择选择填料是要考虑的因素：.设备的种类和运动方式；.介质的物理性质和化学性质；.工作温度和工作压力；.运动速度。.数值特征：表征磨损与发热特性的工作温度T和PV值。标志腐蚀性强弱的pH值。,（2）填料的合理安装.阀杆填料的安装；.泵用填料的安装；.阀门压盖螺栓载荷的确定：控制填料压缩量法；控制压盖螺栓转矩法。,3.软填料密封与机械密封对比,硬填料密封包括：开口环和分瓣环两类。开口环：金属自张性密封环，用于活塞
7、式机器中称为活塞环，用于旋转机器中称为涨圈。原理：依靠本身弹力或其他弹性元件的弹力与气缸贴合造成预紧式密封，在介质压力和惯性力作用下，环的外围与气缸贴合而端面与活塞环槽贴紧达到密封。应用：工作压力可达220MPa，最高线速度可达100ms。,(二)、硬填料密封,分瓣环：圆柱面接触型动密封，故又称为圆周密封。应用：作旋转动密封，广泛用于汽轮机、航空发动机中；作往复动密封，用于蒸汽机、内燃机、活塞式压缩机(活塞杆与气缸间的填料密封)中。工作压力可达50MPa，工作温度达400，最高线速度达110ms。,(二)、硬填料密封,(二)、硬填料密封,(一)、活塞环 (二)、活塞杆填料密封(三)、无油润滑活
8、塞环、支承环及填料,活塞环,活塞式压缩机和活塞式发动机中主要易损件之一。功能：密封气缸工作表面和活塞之间的间隙，防止气体从压缩容积的一侧漏向另一侧。在活塞往复运动中还在气缸内起着 “布油”和“导热”的作用。,带开口的圆环,在自由状态下，其外径大于气缸内径，装入气缸后直径变小，仅在切口处留下一定的热膨胀问隙，靠环的弹力使其外圆面与气缸内表面贴合产生一定的预紧比压pk。原理：依靠阻塞为主兼有节流来实现密封。,往复活塞压缩机中易损件之一。材料：极少采用软质填料，一般采用硬填料。金属、金属与硬质填充塑料或石墨等耐磨材料。主要要求：密封性好，耐磨性好，使用寿命长，结构简单，成本低，标准化、通用化程度高。
9、为了解决硬填料磨损后的补偿问题，往往采用分瓣式结构。在分瓣密封环的外圆周上，用拉伸弹簧箍紧，对柱塞杆表面进一步压紧贴合，建立密封状态。密封面有三个：内孔圆柱面是主密封面，两个侧端面是辅助密封面。均要求具有足够的精度、平直度、平行度和粗糙度，以保持良好的贴合。原理：借助于密封前后的气体压力差来获得自紧密封。与活塞环类似，利用阻塞和节流实现密封。根据密封前后气体的压力差、气体的性质、对密封的要求等，可选用不同的填料密封结构形式。,活塞杆填料密封,硬填料主要分两类：即平面填料和锥面填料。,活塞杆填料密封,1.平面填料图2-22是常用的低、中压平面填料密封结构。有五个密封室，用长螺栓8串联在一起，以法
10、兰固定在气缸体上。活塞杆的偏斜与振动对填料工作影响很大，故在前端设有导向套1，内镶轴承台金，压力差较大时还可在导向套内开沟槽起节流降压作用。填料和导向套靠注油润滑，可带走摩擦热和提高密封性。注油点A、B一般设在导向套和第二组填料上方。填料右侧有气室6，由填料漏出的气体和油沫自小孔c排出并用管道回收，气室的密封靠右侧的前置填料7来保证。,活塞杆填料密封,1.平面填料带前置填料的结构一般用于密封易燃或有毒气体，必要时采用抽气或用惰性气体通入气室进行封堵，防止有毒气体漏出。填料函的每个密封室主要由密封盒、闭锁环、密封圈和镯形弹簧等零件组成。密封盒用来安放密封圈及闭锁环。密封盒的两个端面必须研磨，以保
11、证密封盒以及密封盒与密封圈之间的径向密封。,(二)、活塞杆填料密封,1.平面填料图223所示为三、六瓣平面填料，在密封盒内装有两种密封环，靠高压侧是三瓣闭锁环，有径向直切口；低压侧是六瓣密封圈，由三个鞍形瓣和三月形瓣组成，两个环的径向切口应互相错开，由定位销来保证。环的外部都用镯形弹簧把环箍紧在活塞杆上。切口与弹簧的作用是产生密封的预紧力，环磨损后，能自动紧缩而不致使圆柱间隙增大。六瓣密封圈在填料函中起主要密封作用，其切口沿径向被月形瓣挡住，轴向则由三瓣环挡住。工作时，高压气体可沿三瓣环的径向切口导入密封室，把六瓣环均匀地箍紧在活塞杆上而达到密封作用。气缸内压越高，六瓣环与活塞杆抱得越紧，因而
12、也具有自紧密封作用。,(二)、活塞杆填料密封,1.平面填料三、六瓣式平面填料主要用在压差10MPa以下的中压密封，对压差在1MPa以下的低压密封也可采用三瓣斜口密封圈平面填料（图2-24）。,(二)、活塞杆填料密封,1.平面填料三瓣斜口环结构简单而坚固，容易制造，成本低廉；但介质可沿斜口结合面产生泄漏而且环对活塞杆的贴合压力不均匀，其靠近锐角一侧的贴合压力大，在工作过程中磨损不均匀且主要靠近锐角一端。,(二)、活塞杆填料密封,2.锥面填料在高压下，如果仍采用平面填料，则由于气体压力很高，而填料本身又不能抵消气体压力作用，至使填料作用在活塞杆上的比压过大而加剧磨损。为降低密封圈作用在活塞杆上的比
13、压，在高压密封中，可采用锥面填料。,(二)、活塞杆填料密封,2.锥面填料主要用于压差超过l0100MPa的高压压缩机活塞杆密封。自紧式密封：既有径向自紧作用，又有轴向自紧作用。当气体压力p从右边轴向作用在压紧环的端面时，通过锥面分解成一径向分压力ptan，此力使密封环抱紧在活塞杆上。角越大，径向力也越大，故此密封也是靠气体压力实现自紧密封。在一组锥面填料组合中，靠气缸侧的密封环承受压差大，其径向分力也大。为使各组密封环所受径向分力较均匀，以使磨损均匀，可取前几组密封环的角较小，后面的各组较大，常取角为10、20、30的组合。,(二)、活塞杆填料密封,目的：实观无油或少油润滑，减少气体污染、节约
14、润滑油、改善操作环境及简化密封系统(如可以不设置冷却润滑等辅助系统)。我国20世纪60年代在活塞式压缩机上应用无油润滑技术。无油润滑，不仅当前化工发展中工艺上需要，且在现代空间技术、国防、食品和医药工业部门也不可缺少。无油润滑压缩机中密封件：主要有无油润滑的活塞环、支承环及填料。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,1.无油润滑活塞环用石墨或填充PTFE等自润滑材料制成，可在无油条件下运行，能防止润滑油对气体的掺杂。材料：早期的自润滑材料采用石墨，但韧性差、易脆裂，现在主要采用填充PTFE。类型：按结构可分为整体开口式和分瓣式两种（图2-27）。整体开口式：形状与金属活塞环相同，也有直切口和
15、斜切口之分，直切口较简单，应用较普遍。斜切口尖端易断，应用较少。分瓣式：多用于石墨材料及大直径的塑料环，根据尺寸大小分为三瓣的(每段120)、四瓣的(每段90)，有时也做成六瓣的。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,1.无油润滑活塞环,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,1.无油润滑活塞环无油润滑活塞环有背压和无背压两种。原理：金属活塞环都是依靠本身弹力预紧，且依靠环背气体的背压将活塞环与缸壁贴紧。有背压的无油润滑活塞环是依靠弹力环的弹力预紧，工作时依靠气体背压压紧。图2-28为无背压活塞环，将整体(不开口)填充PTFE活塞环以一定过盈量压入金属内衬环上，可免除槽底进气的背压外张的作用，
16、活塞环外圆加工成迷宫齿形起节流作用。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,1.无油润滑活塞环特点：.石墨和填充PTFE的弹性低，不能自然产生预紧比压，需在环背上配置金属弹力环，或采用无背压活塞环。弹力环一般要有0.07MPa的弹力。弹力环的结构形式有波浪式、扁弹簧式和圆弹簧式等（图2-29）。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,1.无油润滑活塞环特点：.填充PTFE导热性差，热膨胀系数比金属大，设计时应考虑留出足够间隙，其中包括周向开口间隙e、侧面间隙和径向间隙f(图2-30)。间隙值可根据膨胀系数和温升值计算，实际运行中要获得准确膨胀系数和温升有一定困难。,(三)、无油润滑活塞环、支承
17、环及填料,1.无油润滑活塞环特点：.由于无油润滑材料硬度低、磨损量相对大些，加之填充PTFE在高压下易变形(冷流)，故对缸壁的密封比压应远小于金属环，一般小于0.010.02MPa，因而轴向高度应比金属环为大，有的甚至大一倍左右。(4).无油润滑活塞环的环数比金属活塞环少，因为填充PTFE环刚性差，易变形，在径向力作用下易和气缸壁面很好的贴合，密封效果好，环数太多会增大摩擦功耗。对于填充PTFE活塞环的环数可由表2-16选择。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,2.支承环作用：支承活塞质量和定中心，在立式压缩机中则起到导向环作用(在卧式也称为导向环)，对活塞环的密封能力和使用寿命有很大的提
18、高效果。图2-31(a)是分瓣式结构，用在大直径活塞上，又称支承块式结构。图2-31(b)是整圈式结构，用于组合式活塞。图2-31(c)和(d)为整圈开口式支承环，用在中等直径的整体活塞上。囝2-32所示为带有卸荷槽的矩形断面支承环，气体可通过槽使环两侧压力平衡。如开成人字槽则不产生转动，也可采用活塞开孔方式(图2-33)，使两侧压力平衡。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,2.支承环,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,3.填料采用填充PTFE平面填料。图2-34a所示甲、乙密封环均为开口环，而乙环径向切口用小帽盖住，结构简单。加但磨损后径向补偿不够均匀，会使密封环产生变形，导致密封性
19、能下降。图2-34b中的两环结构相同，只是在两环外周增加围带(用铜材料制造)结构，克服图2-34a结构不足。图2-34(c)为O形环结构，主密封环无切口，活塞杆与塑料环的配合略有一定的过盈量，经过跑合和温升会使环内径稍有膨胀，使它们之间配合趋于合理。图2-34(d)结构较复杂，甲、乙分别为不同形状三瓣结构。丙环是阻流环，无轴向弹簧，一般用于中、低压密封。图2-34(e)结构与(d)相似，仅乙环为六瓣，磨损较均匀。,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,3.填料,(三)、无油润滑活塞环、支承环及填料,三、成型填料密封技术,按工作特性：分为挤压型密封圈及唇形密封圈两大类；按材质：分橡胶类、塑料类、
20、皮革类及软金属类。应用最广的是橡胶密封圈，约占50左右，有“密封之王”之称。1.挤压型密封圈各种材质的挤压型密封圈中，橡胶挤压型密封圈应用最广，类型最多。以截面形状命名，有O形、方形、D形、三角形、T形、心形、x形、角-O形及多边形等（图2-35）。,(一)、成型填料类型及适用范围,1.挤压型密封圈,(一)、成型填料类型及适用范围,2.唇型（挠曲型）密封圈有很多类型，有V形、U形、L形、J形、Y形等，在截面轮廓中，都包含一个或多个锐角形的带有腰部的所谓唇口。截面形状如图2-36所示。橡胶也作为唇形密封圈的一种主要材料而使用广泛。为了提高橡胶唇形密封圈的耐压能力，也可在密封圈中增添纤维帘布，制成
21、所谓的“夹布橡胶密封圈”。,(二)、O形密封圈,用作静密封元件时，密封圈受沟槽预压缩作用，产生弹性变形，转变为对接触面的初始压力，获得预密封效果。当作用压力pi时，被压到沟槽一侧，改变其截面形状，密封面上的接触压力也相应变化。介质压力越高，变形量越大，接触压力pmax也越大，此即O形圈的自紧作用。一个O形圈可封住高达400MPa的静压而不发生泄漏。,(二)、O形密封圈,(三)、橡胶唇形密封圈,1.V形密封圈受压面为唇口，在压力作用下，易与密封面紧密贴面，较挤压型密封圈具有更强的自紧作用。根据不同工作压力，将几个V形密封圈重叠，个数越多，泄漏量越小，但数量过多，泄漏量的降低并不显著，摩擦阻力反而
22、急剧升高，一般选36个。唇形密封圈都只有单向密封能力，在双向压力中使用时(如双作用缸)，须成对装填，分别以唇口朝向压力方向，切勿反装。,(三)、橡胶唇形密封圈,2.U形密封圈 主要靠液体压力把唇边紧压在运动件的表面上，随着运动速度的增加密封能力有所下降。这是由于密封圈横截面形状恢复能力较差，造成密封不易填充在工作表面的微小低凹处所致。随着液体的压力增高将有所改善。,(三)、橡胶唇形密封圈,3.Y形密封圈橡胶Y形密封圈包括两个唇等长度的Y形圈及两个唇一长一短的YX形圈。橡胶Y形圈及YX形圈主要用于工作压力在32MPa以下的往复运动密封。,(三)、橡胶唇形密封圈,4.L形密封圈及J形密封圈橡胶L形
23、密封圈及橡胶J形密封圈主要用于工作压力小于1MPa以下的往复运动密封。J形圈还可用于低压条件的旋转运动密封。,(四)、油封,油封即润滑油密封，多用于润滑油系统中作为油泵的轴承密封。功能：把油腔和外界隔离，对内封油，对外防尘。但有时也可以用来密封水或其他弱腐蚀性介质和低压往复杆或摇动球面的密封件。实际上也是一种唇形密封，又称为旋转轴唇形密封圈。因与其他唇形密封相比，有其明显的特点，且品种规格繁多而另列为一类。,油封的密封圈都是由各种合成橡胶制成，其基本结构如图2-52所示。主要由油封本体、加强用骨架6及自紧用弹簧3组成。油封本体各部位又分为底部5、腰部4、冠部2和唇口1。,油封的基本结构及工作原
24、理,工作原理：油封唇口与轴接触面之间存在着一层很薄的油膜。这层油膜一方面起到密封流体介质的作用，另一方面还可以起到唇与轴之间的润滑作用。在使用过程中，由于油封唇的作用，轴表面及转动情况和密封介质性质的不同，以及三者的相互作用和相互配合条件经常会发生变化，在轴旋转动态过程中，油膜厚度在不断变化，变动量一般约在2050之间。油膜过厚，容易泄漏；油膜过薄，则会导致干摩擦。,油封的基本结构及工作原理,油封的类型很多。按工作原理：普通型及流体动压型；按允许工作线速度：低速型及高速型；按材质：橡胶油封、皮革油封及塑料油封；按结构形式：粘接结构、装配结构、骨架结构和全胶结构；按唇口密闭方向：内向油封、外向油
25、封(或称封孔油封)、端面油封；还有断面形状特殊的各种异型油封。具有不同特点、用于不同场合的油封类型多达二十几种。以骨架式有簧橡胶油封应用最广，为常用的油封类型。,油封的特点及类型,（一）、机械密封的结构、原理及特点,机械密封结构及工作原理机械密封是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，（图2-1）故又称端面密封。机械密封的基本构成：端面密封副（静环1和动环2）；弹性元件（如弹簧4）；辅助密封（如O型圈8、9和10）；传动件（如传动销3和传动螺钉6）；防转件（如防转销11）和紧固件（如弹簧座5、推环13、压盖12、紧定螺钉6与轴套1
26、4）。,机械密封基本组成和作用 1）动环和静环 是机封组成的核心，也是研究的重点。 端面密封性能在很大程度上标志着机封的技术水平，因为其它泄漏渠道的密封（为静密封）是较容易解决的。2）弹性元件（弹簧、波纹管、隔膜等） 为主要零件的缓冲补偿机构，是机封保证密封可靠性的重要条件。 预紧作用：使动静环端面保持贴合； 减振作用：轴的振动如果不加缓冲地直接传递到密封端面上，那么密封端面就不能始终保持贴和而使泄漏量增加； 缓冲补偿作用：若给摩擦副施加过大轴向载荷而导致端面严重磨损，若无缓冲补偿机构，势必会造成端面间隙越来越大，泄漏量增加。故机封都采用弹性元件和辅助密封圈建立缓冲补偿机构，以缓冲振动、磨损给
27、端面带来的不良影响。,3）辅助密封圈（O形、V形、楔形环等异形密封圈） 是解决密封端面以外的微动密封问题中所不可缺少的组成部分，同时也起到浮动和缓冲的作用。 材料要耐热、耐寒并与介质有相容性（橡胶、石棉、膨胀石墨等）。4）传动件（传动销、传动环、传动座、传动套、传动键、传动凸耳或牙嵌联合器） 将轴的转距传递给动环的作用。 材料耐蚀、耐磨。5）固紧件（紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套） 起到静、动环的定位、固紧和盛装的作用。 定位准确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好的弹簧比压； 拆装方便，容易定位，能重复使用，与辅助密封配合应注意有安装密封环的倒角和环的压弹量。,五个泄漏渠道：
28、 、静环与动环的端面之间：旋转动密封， 主要泄漏通道；、静环与密封压盖之间：静密封；、动环与旋转轴（轴套）之间：往复密封；、密封压盖与壳体之间：静密封；、轴套与轴之间：静密封；,1）按使用密封的机器或设备分类：泵用机械密封、风机用机械密封、釜用机械密封。,机械密封的基本型式,2）按工作参数分类：,2）按工作参数分类：,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：平衡式和非平衡式能使介质作用在密封端面上的压力卸载的为平衡式机械密封；不能卸载的为非平衡式机械密封。按卸载程度不同，平衡式机械密封又可分为部分平衡式(部分卸载)和过平衡式(全部卸载)。平衡式机械密封端而上所受的力随介质压力的升高变化较小，因
29、此适用于高压密封；非平衡式机械密封端面所受的力随介质压力的变化较大，因此只适用于低压机械密封。平衡式机械密封能降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，承载能力大。但其结构较复杂，一般需在轴或轴套上加F出台阶，成本较高。非平衡式结构简单，在介质压力小于0.7MPa时，使用广泛。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：平衡式和非平衡式,机械密封的基本型式,平衡式和非平衡式,机械密封的基本型式,载荷系数K,平衡式和非平衡式,机械密封的基本型式,载荷系数K,3）按结构型式分类：内置式和外置式弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的为内置式，弹簧和动环安装在密封箱外不与介质接触的为外置式。内置式可利用密封箱内
30、介质压力来密封，元件均处于流体介质中，密封端面的受力状态以及冷却和润滑情况好，常用结构型式。外置式大多数零件不与介质接触，暴露在设备外，便于观察、安装及维修。但介质压力与弹性元件的弹力方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量不大时，会导致密封不稳定甚至严重泄漏。外置式仅用于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低的场合。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：内流式和外流式介质泄漏方向与离心力方向相反的为内流式机械密封，介质泄漏方向与离心力方向一致的为外流式机械密封。由于内流式机械密封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式的小，密封可靠，适用于高压处。当转速极高时，为加强端而润滑采用外流式
31、机械密封较合适，但介质压力不宜过高，一般为l2MPa。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：静止式和旋转式弹簧不随轴一起旋转的为静止式；弹簧随轴一起旋转的为旋转式。由于静止式弹簧不受离心力影响，常用于高速中。旋转式的弹性元件装置简单，径向尺寸小，是常用结构，但不宜用于高速。因为在高速情况下的不平衡质量易引起振动和介质被强烈搅动。线速度大于30m/s时，宜采用静止式。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：单弹簧式和多弹簧式补偿机构中只有一个弹簧的为单弹簧式或大弹簧式，有多个弹簧的称多弹簧式或小弹簧式。单弹簧式端面上的弹簧压尤其在轴径较大时分布不均。多弹簧式的弹簧压力分布相对均匀。单弹簧式
32、常用于较小轴径(d80150mm)。而多弹簧式适用于高速、大轴径。但多弹簧式弹簧丝直径细，当有腐蚀或结晶颗粒积聚易引起弹簧失，宁可采用单弹簧式。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：单端面式和双端面式由一对密封端面组成的为单端面机械密封；由二对密封面组成的为双端面机械密封。当两对端面沿轴向布置时为轴向双端面机械密封；当两对端面沿径向布置时为径向双端面机械密封。单端而机械密封结构简单、制造和安装容易，一般用于介质本身润滑性好和允许有微量泄漏的情况，是最常用的机械密封型式。但当介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。双端面机械密封适用于介质本身润滑性差、有毒、易燃、易爆、易挥发
33、、含磨粒及气体等。径向双端面机械密封结构较轴向双端面机械密封紧凑。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：单端面式和双端面式轴向双端面机械密封有面对面或背靠背布置的结构。这种密封工作时如在两对端面间引入高于介质压力0.050.15MPa的封液，以改善端面间的润滑及冷却条件，并把介质与外界隔离，有可能实现介质“零泄漏”。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：接触式和非接触式接触式机械密封是指密封面微凸体接触的机械密封。非接触式机械密封是指密封面微凸体不接触的机械密封。非接触式又可分为流体静压和流体动压两类。流体静压密封系指利用外部引入的压力流体或被密封介质本身，通过密封端面的压力降产生流体
34、静压效应的机槭密封。流体动压密封系指利用端面相对旋转自行产生流体动压效应的机械密封，如螺旋槽端面机械密封。接触式机械密封的密封面间隙h=0.52m，摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦；非接触式机械密封的密封面间隙，对于流体动压密封h=2m，对于流体静压密封h5m，摩擦状态为流体摩擦、弹性流体动力润滑。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：接触式和非接触式普通机械密封大都是接触式，而可控间隙机械密封是非接触式。接触式机械密封结构简单，泄漏量小，但磨损、功耗和发热量都较大，在高速、高压下使用受到限制。非接触式机械密封的功耗和发热量小，正常工作时没有磨损，能在苛刻工况下工作，但泄漏量较大。,机械密封的
35、基本型式,3）按结构型式分类：单级和双级密封使密封介质处于一种压力状态为单级密封；处于二种压力状态为双级密封。前者与单端面密封相同，后者二级密封串联布置，介质压力依次递减，可用于高压工况。如介质压力很高，可以将多级密封串联，成为多级机械密封。,机械密封的基本型式,3）按结构型式分类：波纹管机械密封按所用材料不同：金属、聚四氟乙烯和橡胶波纹管机械密封。波纹管型密封在轴上没有相对滑动，对轴无磨损，随动性好，适用范围广。金属波纹管又可分为焊接金属和液压成型金属波纹管。金属波纹管本身能代替弹性元件，耐蚀性好，可在高、低温下使用。聚四氟乙烯波纹管耐腐蚀性好，可用于各种腐蚀介质中。橡胶波纹管因橡胶价格便宜
36、，使用广泛，使用温度受不同胶料性能的限制。,机械密封的基本型式,机械密封的优点密封性泄漏量可以限制到很少 只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐磨性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不见泄漏。可靠性寿命长 在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面，因为密封端面的磨损量在正常工作条件下不大，一般可以连续使用12年，个别场合下也有用到510年。稳定性运转中无需调整 由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保持接触，装配后就不用像普通软填料那样需调整压紧。,耐振性优于径向密封 径向密封一般在转速n=3000r/min下最大径向振幅不超过0.05mm；而机
37、械密封的承受的径向振幅可超过此值，国外开发的釜用机械密封可允许轴的径向偏摆量达3mm（单侧）。适用性使用psV值不断提高 机械密封可以采用平衡式密封、流体静压型密封、流体动压密封或多级组合式密封，使psV值达到较高值，现已可达到1000（MPams），并在不断提高。,1）力学分析：机械密封的使用性能主要取决于由两密封端面构成的主密封，即两端面之间的摩擦状态。,机械密封的分析计算,机械密封的分析计算,1）力学分析：,机械密封端面力学分析图,机械密封的分析计算,1）力学分析：密封环带面积A较窄的密封端面外径d2与内径d1之间的环形区域的面积，即与另一个密封端面的有效接触面积。,弹簧比压ps单位密封
38、面上的弹性力(MPa)。计算方法是总的弹性力Fs除以密封环带的面积A。,机械密封的分析计算,密封流体压力有效作用面积Ae指密封流体压力作用在补偿环上，使之对非补偿环趋于闭合的有效作用面积。,密封流体压力作用比压pe单位密封面上承受流体压力所施加的使密封端面闭合的力。,式中，db为滑移直径，也称平衡直径，指流体压力作用在补偿环辅助密封圈处的轴(或轴套)的直径。,式中，p密封流体压力，即密封内外侧流体压差（p1-p2）。,机械密封的分析计算,载荷系数K(或面积比B)流体压力作用在补偿环上，使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积Ae与密封环带面积A之比。其物理本质是密封流体压力作用比压Pe与密封流体
39、压力P之比。,当Kl时，即AeA，密封流体压力作用面积大于或等于密封环带面积(承载面积)，称为非平衡型机械密封；当K1时，即AeA，密封流体压力作用面积小于密封环带面积(承载面积)，称为平衡型机械密封。,机械密封的分析计算,平均流体膜压力Pm密封端面间流体膜的平均压力。,式中pr在半径为r处密封端面上的流体膜压力。,反压系数（或膜压系数）,机械密封的分析计算,闭合力Pc指由密封流体压力p和弹簧力Fs等引起的作用于补偿环上使之对于非补偿环趋于闭合的力。,式中，Ffr 补偿环辅助密封与滑移面之间的摩擦力； Fi补偿环组件轴向加速运动时产生的惯性力。在稳定工作条件下，可不考虑轴向摩擦力和惯性力的影响
40、。,开启力Po指作用在补偿环上使之对于非补偿环趋于开启的力。,机械密封的分析计算,端面接触比压Pc作用在密封面单位面积上的净闭合力。根据力平衡：,强调：上述分析是针对上图所示的基本结构而进行的，针对不同的具体密封结构，某些参数的计算式会有所不同。,端面比压Pc的计算为机械密封的性能分析计算如端面摩擦功耗以及冷却、冲洗量大小的确定奠定了基础。,机械密封的分析计算,2）性能分析：摩擦功耗N,式中，N端面摩擦功耗，kW； Dm密封面的平均直径，Dm=(D1+D2)/2 (m) ； b密封面宽度（m）， b=(D2-D1)/2 ； V密封面平均周速，V=Dmn/60(m/s) 。,机械密封的分析计算,
41、2）性能分析：泄漏量q反映机械密封密封性能的主要参数。在很大程度上取决于密封面缝隙的形状和大小，即取决于何种摩擦状态。为保证密封工作的可靠性，要求寿命长，同时泄漏量小，必须处于合理的润滑状态下运转。混合润滑状态下：,式中， C流量系数，C=5102m/s3/2。,3.3 机械密封的分析计算,2）性能分析：摩擦系数f机封的摩擦热量Qf、冲洗量Qr和摩擦功耗N计算时均需要正确地选用摩擦系数；除用模拟实验求摩擦系数作材料的摩擦系数实验外，可参考现有相近的数据选用。工程计算中，一般近似取 f=0.1。,接触式机械密封存在的问题 随着现代工业生产的发展，机械密封的工作环境越来越严苛，对密封的要求越来越高
42、。目前国内外旋转式机泵（以离心泵为主）用机械密封基本上是普通的接触式机械密封，由于密封端面之间存在直接的固体摩擦磨损，导致密封因端面摩擦温升过高、过度磨损等原因早期失效。在密封环境较为恶劣的条件下，如密封易汽化类、高危险性、高腐蚀性、高含固体颗粒介质、高PV值等条件下，存在大量的液相泄漏和气相逸出而污染环境，密封可靠性和稳定性大大降低，失效概率明显增大，难以满足长周期运行、无污染、低能耗等现代化工业生产的客观要求。,存在的缺陷主要体现在：密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染。密封原理：在被密封流体与外界存在压力差（一般是压力高于外界压力）的前提下，通过维持一定的端面接触压力，来尽可能减小
43、密封摩擦副端面之间的轴向间隙以降低被密封流体的泄漏。难以实现被密封流体的零泄漏，更不可能实现其零逸出。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用将受到越来越多的限制。 密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短。密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，积累的结果必然是密封的使用寿命是有限的。一般地，普通接触式机械密封的使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密封流体或含一定量固体颗粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。,密封工作状态不稳定，失效概率大增。密封端面之间的摩擦温升对密封摩擦副的工作状态有很大的影响，有可能使端面液膜发生汽化（即相变，尤其对易汽化类介质如高温油泵、热水泵、轻烃泵
44、等），由单相润滑变为汽液混相润滑，使密封摩擦副处于不稳定的工作状态（产生“鸣叫”、“汽喷”现象等，失效的概率大大增加。,密封件产生热变形、热裂、热涨而失效。密封端面之间的急剧温升还会导致端面温升过高，产生较大热变形，摩擦磨损严重和不均；使密封材料的机械性能降低，容易使密封环（主要指硬环）产生热裂、辅助密封圈产生热涨等而使密封早期失效。机械密封工业失效记录中有相当比例是由于密封端面温升过高造成的。,密封适应变工况能力差。当流体机械处于变工况(变压力、变转速、频繁开停等）下，密封的始终处于不稳定的运行状态磨合状态，极易出现早期失效。改变介质性能，影响产品质量。密封摩擦副端面之间直接的固体摩擦磨损，必然产生一定量的固体磨粒，对工艺产品造成不同程度的污染，直接影响产品质量及其市场竞争力。因此，随着对产品尤其是深加工食品、生物医药制品、精细化工产品等质量要求的日益苛刻，普通接触式机械密封的使用范围将不同程度的受到影响。,运行费用高、经济效益低。为改善密封工作环境，常采用冷却、冲洗等措施，消耗大量冷却油的同时，降低泵容积效率和装置生产效率。采用冷却手段对密封直接冷却并自然排放，浪费了大量水资源并增加了污水处理负担。如炼油厂高温、重油、渣油泵大多采用蜡油为封油来改善密封工作环境，由此带来巨大的能源浪费。,
