非接觸式機(jī)械密封由于其低磨損、高可靠性而成為密封領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。該文通過對(duì)非接觸式機(jī)械密封中流槽設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分類討論，分別從槽深、轉(zhuǎn)向和介質(zhì)模態(tài)三個(gè)方面進(jìn)行了論述和對(duì)比，并簡(jiǎn)要給出了其各自的使用條件及范圍，以期使廣大從事機(jī)械密封的工作人員對(duì)非接觸式機(jī)械密封有較全面的了解，并對(duì)設(shè)計(jì)和選型有一定的幫助。

引言

　　非接觸式機(jī)械密封指由于流體靜壓或動(dòng)壓作用，在密封端面間充滿一層完整的流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的機(jī)械密封。工業(yè)的高速發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的提高， 對(duì)機(jī)械密封的泄漏要求越來越高， 非接觸式機(jī)械密封由于具有密封性能好、工作可靠、零泄漏、使用壽命長、功率消耗少等特點(diǎn)， 因而在國內(nèi)外化工生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，已成為泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、攪拌器、轉(zhuǎn)盤塔、離心機(jī)和過濾機(jī)等工藝設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。非接觸式機(jī)械密封根據(jù)槽深分類可分為淺槽和深槽密封；根據(jù)轉(zhuǎn)向可分為單向旋轉(zhuǎn)和雙向旋轉(zhuǎn)密封；根據(jù)密封介質(zhì)模態(tài)可分為液膜和氣膜密封。本文通過對(duì)非接觸式機(jī)械密封流槽技術(shù)的分類討論， 以期對(duì)進(jìn)一步了解和深入相關(guān)研究提供借鑒。

1、深槽淺槽非接觸式機(jī)械密封

　　1.1、深槽密封

　　深槽密封是指開槽深度為毫米數(shù)量級(jí)的各種槽形的非接觸式機(jī)械密封，通過流體靜壓效應(yīng)、動(dòng)壓效應(yīng)來提高密封端面的潤滑效果，主要槽形如圖1 所示。

　　對(duì)深槽機(jī)械密封的研究始于1961 年，Mayer最先對(duì)徑向深槽的機(jī)械密封端面進(jìn)行了研究， 證明此類密封的磨損量和摩擦功率都非常小。存在的問題主要是滯留在槽內(nèi)的顆粒易進(jìn)入摩擦副縫隙中去。鑒于此，Mayer于1969 年開發(fā)了圓弧深槽機(jī)械密封，由于圓弧深槽可以吸收液體，使得密封環(huán)邊緣得到良好冷卻，在轉(zhuǎn)向不定時(shí)亦具有排污能力，穩(wěn)定性也很好，從而成為博格曼公司的特色產(chǎn)品。1989 年，Key 等提出了端面外緣具有深矩形槽的機(jī)械密封理論分析模型， 結(jié)果表明，深矩形槽形使得端面變形為波狀，產(chǎn)生的動(dòng)壓增量提高了密封的靜壓承載能力。1994 年，Tournerie 等通過有限元方法，研究了圓弧深槽機(jī)械密封的端面壓力分布情況。1997 年，Persont 等通過數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)一步研究了圓弧槽形密封的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，研究證明圓弧深槽使得端面靜壓力得到提高，有利于降低密封對(duì)動(dòng)壓波動(dòng)敏感性，提高了密封的穩(wěn)定性。1999 年，Lai對(duì)多種槽形的表面深槽熱流體動(dòng)壓非接觸式機(jī)械密封進(jìn)行了研究。2005 年，Papatheodorou[8]研究表明適當(dāng)增加槽數(shù)可提高圓弧深槽液膜承載能力。2006 年，Reddyhoff 等進(jìn)一步對(duì)圓弧深槽的槽數(shù)和槽深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　在國內(nèi)，關(guān)雅賢等于1986 年對(duì)圓弧深槽機(jī)械密封進(jìn)行了試驗(yàn)研究。自此，許多學(xué)者針對(duì)圓弧深槽進(jìn)行了深入的理論及實(shí)驗(yàn)研究， 證明了深槽密封特別是圓弧深槽密封具有良好的密封性能。國內(nèi)對(duì)于圓弧槽設(shè)計(jì)及生產(chǎn)能力的不足使得我國對(duì)許多極端工況下使用的機(jī)械密封產(chǎn)品仍需進(jìn)口。

　　1.2、淺槽密封

　　淺槽密封是指開槽深度為微米數(shù)量級(jí)的各種槽形， 通過密封端面間的流體動(dòng)壓力實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸式機(jī)械密封。此類槽形主要有周向臺(tái)階、周向斜面、周向槽、直線槽、三角槽、半圓型槽、矩形槽、弧形槽、葉形槽、螺旋槽或者是各種槽形的組合。其中，最常用的槽形為螺旋槽及其組合。淺槽密封一般用于密封氣體，也可密封液體，但其原理不盡相同，密封面較寬是其區(qū)別于普通機(jī)械密封的顯著特點(diǎn)。具體在下文液膜氣膜非接觸機(jī)械密封中詳盡闡述。

2、液膜氣膜非接觸式機(jī)械密封

　　如前所述， 非接觸式機(jī)械密封可根據(jù)槽深分為深槽和淺槽密封，就目前研究表明：深槽密封一般用于液相密封；淺槽密封可用于氣相或液相，當(dāng)淺槽密封用于密封氣體時(shí)稱為干運(yùn)轉(zhuǎn)氣體密封(dry running gas seals)，即所謂的“干氣密封”；用于密封液體時(shí)稱為上游泵送密封。

　　2.1、液膜密封

　　液膜密封一般指全液膜潤滑非接觸式機(jī)械密封，可減少或消除被密封介質(zhì)的泄漏， 同時(shí)可改善密封端面的潤滑狀況和操作穩(wěn)定性。在液膜密封中，上游泵送機(jī)械密封及深槽動(dòng)壓型非接觸式密封是其典型代表。深槽動(dòng)壓型密封在第一節(jié)已詳細(xì)論述， 這里主要介紹一下上游泵送機(jī)械密封。

　　“上游泵送”的概念是20 世紀(jì)80 年代中期提出來的，90 年代后對(duì)上游泵送機(jī)械密封的研究逐漸增多，并在工業(yè)中得到成功應(yīng)用。圖2 所示為上游泵送密封的主要槽形， 由于類螺旋槽流體流動(dòng)效率或摩擦功耗等性能最佳，因此應(yīng)用最為普遍[23-24]。雖然提出上游泵送機(jī)械密封概念已近30 年，也開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品且已得到成功應(yīng)用， 但無論國內(nèi)或國外， 對(duì)上游泵送的密封機(jī)理還缺乏系統(tǒng)而深入的研究， 許多問題都還沒有解決。

　　2.2、氣膜密封

　　氣膜密封即干氣密封自20 世紀(jì)40 年代開始已逐步應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，最初用在航空工業(yè)界。第一個(gè)干氣密封的專利1968 年在英國出現(xiàn)，1976 年首次工業(yè)應(yīng)用，1983 年開始推廣應(yīng)用。約翰克蘭公司的干氣密封產(chǎn)品起步較早，也較為成熟，已經(jīng)在離心壓縮機(jī)、汽輪機(jī)和工業(yè)泵上獲得廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)90 年代國外開始將干氣密封技術(shù)應(yīng)用于離心泵、攪拌釜中，國內(nèi)對(duì)干氣密封的研究和應(yīng)用較晚,目前其應(yīng)用還處在初級(jí)階段。在工業(yè)開發(fā)方面，國內(nèi)進(jìn)展較為緩慢，近年來主要有天津鼎名密封有限公司和四川日機(jī)密封件有限公司開發(fā)出了部分產(chǎn)品。同國外產(chǎn)品相比，特別是在高壓領(lǐng)域里，存在較大差距。

3、單向雙向非接觸式機(jī)械密封

　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向， 非接觸式機(jī)械密封可分為單向旋轉(zhuǎn)式和雙向旋轉(zhuǎn)式。槽型結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，使得單向旋轉(zhuǎn)式非接觸式機(jī)械密封只能在正轉(zhuǎn)時(shí)工作， 而在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能建立起隔離動(dòng)靜環(huán)硬性固相接觸的動(dòng)壓。這種狀況， 使得人們更加關(guān)注雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸機(jī)械密封的研究。

　　3.1、單向旋轉(zhuǎn)密封

　　整體來說， 目前單向旋轉(zhuǎn)非接觸式機(jī)械密封在市場(chǎng)上占得比例較大， 單向密槽封的動(dòng)壓效果較對(duì)稱布置的雙向槽略大是單向旋轉(zhuǎn)槽獲得廣泛應(yīng)用的原因。

　　但隨著工業(yè)的高速發(fā)展，密封的工作狀況趨于高溫、高壓和高速，在開車啟動(dòng)中，難免偶然的人為或機(jī)械錯(cuò)誤造成的反向旋轉(zhuǎn)而造成的密封損壞、失效，造成較大損失。所以，能使用既可滿足工況使用要求，又能避免誤操作帶來意外損失的雙向旋轉(zhuǎn)密封稱為研究熱點(diǎn)。根據(jù)前面的論述，單向旋轉(zhuǎn)密封包括氣膜液膜、深槽淺槽的各種非對(duì)稱槽型， 圖3 是單向旋轉(zhuǎn)非接觸式密封典型槽型，其中以螺旋槽最為成熟。

　　螺旋槽密封技術(shù)是一項(xiàng)源于滑動(dòng)軸承的潤滑理論的新型密封技術(shù)。早在1925 年，L.Gumber 就提出了螺旋槽軸承概念，隨后，WhiPPle 在壓力線性分布假設(shè)基礎(chǔ)上，研究等間距排列的平面平行槽與平板間的流體流動(dòng)[31]。Wipple 提出一種理論，用于解可壓縮或不可壓縮流體的基本動(dòng)力潤滑方程，即Wipple 窄槽理論。Muijderma 在Whipple 的基礎(chǔ)上，提出了較完整的螺旋槽軸承理論，解決了它的理論計(jì)算，并出版《螺旋槽軸承》一書。從20 世紀(jì)70 年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 人們能夠比較精確地模擬密封端面間氣膜的流場(chǎng)，這為螺旋槽干氣密封的開發(fā)、設(shè)計(jì)提供了重要手段。1974 年螺旋槽干氣密封首次成功地應(yīng)用煉油廠的透平膨脹機(jī)上， 標(biāo)志著其工業(yè)應(yīng)用的開始。在此基礎(chǔ)上Shapiro 等在研究高速液氧透平泵的螺旋槽氣體端面機(jī)械密封中考慮了慣性力的影響。由于該方法的簡(jiǎn)潔實(shí)用而獲得廣泛的應(yīng)用，一直沿用至今。20 世紀(jì)80 年代中期以后，國外螺旋槽干氣密封已基本成熟，被廣泛應(yīng)用于離心壓縮機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上。2001 年，Brad 等對(duì)螺旋槽氣體端面密封進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析并推導(dǎo)了適用的數(shù)學(xué)公式。國內(nèi)主要通過數(shù)值分析及計(jì)算機(jī)仿真對(duì)螺旋槽也進(jìn)行大量的分析計(jì)算，得出的結(jié)果與國外基本一致。

　　3.2、雙向旋轉(zhuǎn)非接觸式機(jī)械密封

　　槽的對(duì)稱布置使得主軸轉(zhuǎn)向?qū)γ芊鉄o影響， 提高了運(yùn)行的安全性。目前，具有雙向旋轉(zhuǎn)性能的非接觸機(jī)械密封槽型較多，見圖4。根據(jù)其槽的形狀及深度，可用于氣體或液體密封。

4、作用機(jī)理

　　從密封機(jī)理上對(duì)非接觸式機(jī)械密封進(jìn)行分析來看，按氣膜和液膜或者單向和雙向皆不完善，從槽深上來分析最全面和完整， 因?yàn)樯婕暗降撵o壓和動(dòng)壓皆與槽深有關(guān)，故對(duì)于作用機(jī)理只從深槽淺槽進(jìn)行分析。

　　4.1、深槽密封作用機(jī)理

　　深槽密封機(jī)理屬于彈流理論范疇， 一般用于液體密封。以圓弧深槽為例，如圖5 所示，槽深一般為1~2mm 左右，當(dāng)密封處于靜止時(shí)，未開槽區(qū)域接觸以實(shí)現(xiàn)接觸密封；啟動(dòng)運(yùn)行后，由于力變形和熱變形的作用，使密封端面在周向形成波度，徑向形成錐度。沿周向的粘性流動(dòng)交替的經(jīng)歷收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)， 徑向錐度利用流體靜壓效應(yīng)，產(chǎn)生附加的流體靜壓承載能力,使得開啟力增大。周向波度能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，徑向錐度能夠產(chǎn)生流體靜壓效應(yīng)， 從而顯著提高密封端面間的液膜承載能力、降低端面摩擦系數(shù)。常用型槽結(jié)構(gòu)有圓弧深槽、U 型深槽等。

　　4.2、淺槽密封機(jī)理

　　干氣密封是一種流體動(dòng)靜壓結(jié)合型非接觸式密封，流體靜力在密封靜止或旋轉(zhuǎn)時(shí)都存在，而流體動(dòng)力只存在于密封旋轉(zhuǎn)時(shí)。如圖6 所示，為常見端面外徑開設(shè)淺槽干氣密封，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針。由于淺槽旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵吸作用， 將外徑側(cè)的高壓隔離氣體泵入至密封端面間，由于泵入氣體被壓縮使得壓力升高，進(jìn)而使得兩接觸端面分離形成要求的氣膜厚度h0， 密封端面間的開啟力等于密封環(huán)上的閉合力時(shí)， 密封端面開啟呈非接觸狀態(tài)。形成的高壓氣膜對(duì)工作介質(zhì)既具有密封作用，又使摩擦副得到潤滑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非接觸狀態(tài)下的零磨損運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　淺槽密封用于密封液體時(shí)的上游泵送密封工作原理類似于干氣密封，與其不同的地方在于，上游泵送借助端面開設(shè)的流體動(dòng)壓槽把由高壓側(cè)泄漏至低壓側(cè)的被密封介質(zhì)重新反輸至高壓側(cè)， 或者把低壓側(cè)的緩沖流體微量地泵送至高壓密封介質(zhì)側(cè)， 消除了密封介質(zhì)由高壓側(cè)向低壓側(cè)的泄漏。具體如圖7 所示，在高壓側(cè)與低壓側(cè)間壓力差的作用下， 高壓側(cè)密封介質(zhì)形成由上游指向下游的壓差流Qp， 而由于端面淺槽高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切流Qs方向由內(nèi)徑指向外徑，與Qp方向正好相反，消除泄漏的同時(shí)既實(shí)現(xiàn)上游泵送功能。

5、適用范圍

　　淺槽密封效果較好，但由于膜厚較小，較易被介質(zhì)中的雜質(zhì)或污垢填滿阻塞，破壞動(dòng)壓膜存在，使得端面磨損，甚至?xí)�造成�?yán)重泄漏從而導(dǎo)致密封失效。同時(shí)，淺槽密封對(duì)安裝精度的要求也很高， 直接影響密封的使用效果，研究表明，淺槽非接觸式密封在高速下動(dòng)壓效果較穩(wěn)定。

　　深槽密封在工作時(shí)的膜厚為微米級(jí)， 與槽深不在同一數(shù)量級(jí)，相差較大。同時(shí)深槽密封產(chǎn)生的動(dòng)壓增量使得密封對(duì)動(dòng)壓波動(dòng)敏感性降低， 有利于密封的穩(wěn)定操作。深槽密封對(duì)轉(zhuǎn)速、安裝精度等也不敏感，多用于低速、高壓、高溫及大尺寸場(chǎng)合。

　　在單向旋轉(zhuǎn)密封和雙向旋轉(zhuǎn)密封都能滿足工況要求的場(chǎng)合，可選擇雙向密封，可避免偶然的失誤造成的不必要損失； 但在要求較高雙向旋轉(zhuǎn)滿足不了使用的條件下只能使用動(dòng)壓性能較好的單向密封。對(duì)于液膜氣膜密封，需根據(jù)具體介質(zhì)工況具體選擇，其中液膜密封中的上游泵送密封既可以使用在密封要求不太苛刻的場(chǎng)合， 又可在泄漏控制嚴(yán)格的密封場(chǎng)合用作需有緩沖液系統(tǒng)的零逸出密封。由于多數(shù)非接觸密封工況都會(huì)造成高壓測(cè)向低壓側(cè)的泄漏， 所以從實(shí)用性上講上游泵送密封的使用范圍會(huì)越來越廣。

6、結(jié)語

　　(1)淺槽密封由于其槽深較小，為防止淺槽被堵塞，對(duì)密封液要求較高，且在高速時(shí)密封性能較好；

　　(2)深槽密封對(duì)轉(zhuǎn)速、安裝精度等不敏感，但運(yùn)轉(zhuǎn)功率較淺槽形略低，適用于高壓、高速、高溫及大尺寸場(chǎng)合；

　　(3)密封介質(zhì)為液體且對(duì)泄露要求較高時(shí)可選用具有泵送效用的上游泵送密封；

　　(4)在單向旋轉(zhuǎn)密封和雙向旋轉(zhuǎn)密封都能滿足工況要求的場(chǎng)合，可選擇雙向密封，可避免偶然的失誤造成的不必要損失。