［摘要］為了減少離心式氯氣壓縮機軸端密封泄漏量，提出一種將充抽氣迷宮式梳齒密封由兩腔式變為三腔式的方法，效果顯著，泄漏量減少了1．18m3/h。具體改造措施有3點:①為了保障腔內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，在壓縮機軸端留有氯氣泄漏腔;③改變密封齒數。

目前我國氯堿工業發展迅速，相關生產設備的用量快速增加，這些設備中包括離心式氯氣壓縮機。離心式氯氣壓縮機的關鍵技術在于其密封系統的可靠性，如果由于裝置密封系統的原因導致裝置內的氯氣泄漏，將造成嚴重的安全事故。離心式氯氣壓縮機的氯氣泄漏主要發生在兩端的軸端密封處。某型號的離心式氯氣壓縮機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薄膜調節閥控制。在機器運行過程中，氯氣工況會發生改變，而密封氣的壓力卻不能隨之改變，導致密封氣無法滿足要求。該軸端密封存在弊端，有必要對其進行改造升級。

 

1原軸端密封的基本情況

離心式氯氣壓縮機原軸端密封見圖1。該密封結構主體是迷宮式密封，密封結構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，先利用氣動薄膜調節閥1調節密封氣壓力在4～5kPa，然后充入密封體。再利用氣動薄膜調節閥2調節抽氣腔壓力至－5～－4kPa［1］。為了形成內部循環，防止氯氣外泄，將氮氣與氯氣的混合氣體送回一級入口。

2軸端密封的改進

2．1機組密封方案確定

帶充抽氣的迷宮密封結構簡單，安裝方便，系統的維護和檢修簡單，可操作性強，需要的檢測控制儀器少，不需要相關的動力系統和聯鎖報警設置，價格低廉，成本可控，性能可靠。由于可以實現內部循環，其密封效果相對于非接觸型密封和浮環密封更好［2］。由于其密封氣不能根據工藝氯氣的壓力變化而進行調整，故須利用差壓變送器來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，須在壓縮機軸端設置氯氣泄漏腔。

一、二級入口壓差比較小，因此將該組的氯氣壓縮機中的一級和二級葉輪入口設置在壓縮機軸端，并且利用管道連接兩級之間的入口泄漏腔，這樣兩側軸端的壓力將維持平衡狀態。采用平衡管連通一級和二級可以避免采用2個差壓變送器來控制一級和二級的密封氣壓力，同時也避免差壓變送器隨氯氣壓力波動而頻繁工作，因此可大大降低控制系統和運行維護的成本。

本文中#終設計的帶充抽氣的三腔迷宮式梳齒密封結構如圖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入口;第3腔充入用于密封的氮氣，可由差壓變送器調節其壓力;平衡腔壓力相對第3腔較低。這種密封方案效果顯著，在控制氮氣和混合氣的氣體含量在合理范圍內的同時又可避免氯氣外泄。

 

2．2密封結構的確定

可以通過以下3項措施保證密封效果:增加密封片的數量;減小齒縫的截面面積;增大氣流流通過程的局部阻力，從而提升氣體轉化為熱量的效率。

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

根據以上分析結果，本文中設計了軸套上環狀臺階與軸封環共同組成高低齒式迷宮密封，其中鑲入軸封環上的鎳帶是將Φ1的不銹鋼絲嵌進0．2mm厚的鎳片中而制作完成的(密封齒結構見圖4)。

2．3密封齒的確定

迷宮密封本身就不可完全避免漏氣，而漏氣又會導致密封裝置內壓力下降，應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，應使密封間隙盡可能小，密封齒數盡可能多;但當齒數增加到一定量后，對密封效果的影響則有限，且限于裝置體積的要求，不宜過多。故應合理選取密封齒數。根據設計經驗，葉輪前后的級間密封以及軸端密封都應該選取合適的齒數。前者應在3～6齒;后者范圍相對較大，應在6～35齒。

密封間隙對設備的影響較大，其取值應合理。過大，則密封效果差;過小，則轉子振動時會導致轉子與密封齒之間的摩擦。確定密封間隙的主要條件為:①轉子與定子在壓縮機正常工作時不應發生相對摩擦，并且盡量減少漏氣;②壓縮機轉子的靜撓度、轉子的徑向跳動等滿足要求;③離心力產生的動撓度、軸承間隙、臨界旋轉頻率時的振幅，正常工作時轉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］。綜合以上因素和設計經驗，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，密封腔深(h)、密封齒間距和環狀臺階高度對密封效果的影響相對較大，故還應該對這部分因素進行校核計算。

根據常規工程設計要求，本文中設計的壓縮機軸端處直徑D的系數值為0．3，根據式(3)可計算出#小間隙。

查閱表1中#小間隙為0．25mm，而計算出的常規工程設計中的#小間隙為0．2174mm，小于表1中的給定值，可知該密封設計滿足要求。根據通常的生產經驗，Ω/s=9～35，而該軸端密封Ω/s=18，也滿足要求。

2．4泄漏量的計算

本文中設計的密封結構共有3部分，在本節中僅校核二級入口與平衡腔間的泄漏量［4］。

(1)shou先判斷氣流是否達到音速。

氣流經過一定的循環，在管道出口可能達到的#大速度稱為音速。可根據下式判斷氣流是否達到音速［5］。

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

(2)核算密封泄漏量。

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

根據相關的標準可以查得曲折型密封的泄漏系數α范圍，根據標準提供的范圍和本文數據，本文中取α=0．7。由式(9)和相關數據可計算出qmin為7．06m3/h。用同樣的校核計算方法可以計算原來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。本文中設計的離心式氯氣壓縮機的總流量約為7200m3/h，可計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循環，正常運行時不會造成泄漏，故可知本文中設計的離心式氯氣壓縮機在正常工況下可以滿足生產要求［7］。

 

3結語

改造后的離心式氯氣壓縮機已應用在山東、山西、黑龍江、內蒙古等地的多家企業，軸端密封至今未發生外泄事故，受到了用戶的一致好評。