第二讲 流体动密封

第二讲 流体动密封

第一章 机械密封的原理及分类

一、 机械密封的原理

1、定义：机械密封（又称端面密封）指由两个圆环组成的一对密封元件，在其垂直于轴线的光洁而平直的表面上相互贴合，并作相对转动而构成的密封装置。

2、组成：静环、动环，弹簧加荷装置、密封圈辅助（动环密封圈、静环密封圈）。

3、机械密封的密封点：（1）静环与压盖之间（2）相对旋转密封点（3）动环与轴（或轴套）（4）压盖上密封垫片（5）轴套与轴之间。

二、 机械密封的优缺点（与填料密封比较）

1、优点：

（1） 结构可靠，不泄漏或少泄漏，泄漏量是填料密封的1/10。

（2） 使用寿命长，正确设计、使用的机械密封可连续运行1～2

年或更长时间。

（3） 磨擦损失小。填料密封是靠盘根压紧轴或轴套上起密封作

用，填料与轴直接接触，填料压得愈紧，摩擦力就越大，消耗的功率也愈大。机械密封摩擦处于半液体摩擦状态，材料的摩擦系数又很小，故所耗功率小。一般，机械密封的功率损失约为填料密封的10～20%。

（4） 轴或轴套不受磨损。

（5） 适用范围广：高温、低温、高压、高真空、易燃、剧毒、

强腐蚀性介质都可选用相配的机械密封。

2、缺点：

机械密封比填料密封复杂，加工要求较高，并需要一定的安装技术，价格比填料密封贵得多。

三、 机械密封的分类

1、内装式与外装式

内装式是弹簧置于工作介质之内，外装式是弹簧置于工作介质之外

（1）内装式特点：

A 、 摩擦副处于介质中，润滑冷却效果好。

B 、 受力情况好，F 弹、F 介方向一致。

C 、 泄漏方向与离心力方向相反，阻止介质外泄。

（2）外装式特点：

A 、 大部分零件与介质接触，选用材料方便。

B 、 大部分零件在外便于观察、调整、安装。

C 、 受力不好，F 弹与F 介方向相反，密封面易脱开。

D 、 泄漏方向与离心力方向一致，介质易外泄。

2、单（大）弹簧与多（小）弹簧

特点比较：

（1）弹簧比压均匀性：多弹簧好。

（2）转速高时，高速偏移：多弹簧更稳定。

（3）耐蚀性：同样工况下，大弹簧耐蚀性比小弹簧好。

（4）介质中含有颗粒：弹簧压缩小弹簧易卡死。

（5）弹簧高速范围：小弹簧范围大。

（6）所占空间：大弹簧要求轴向尺寸大，径向尺寸小。小弹簧要

求轴向尺寸小，径向尺寸大。

3、平衡型与非平衡型

内装式平衡型与非平衡型机械密封受力如图示：

图（1）K 内≥为非平衡型（2）O

4、旋转式与静止式

旋转式即是弹簧装置随轴转动，静止式即弹簧装置不转动。一般的机械密封都是采用旋转式，高转速情况下，弹簧及其它转动零件产生的离心力很大，动平衡要求高，有的介质经强烈搅动后易结晶，在这种情况下采用静止式较适宜。

5、单端面与双端面

从结构比较来看，单端面比双端面简单，在制造和拆装上都较容易，因而使用很普遍。双端面机械密封由于结构较为复杂，要通入带压液体（封液）至密封腔内起“堵封”和润滑作用，需另设一套装置，目前应用较少，只使用于特殊工况、介质。

6、焊接金属波纹管密封：高温密封

第二章 机构密封的选型

一、 掌握确切的工况条件：

1、 介质的特点：腐蚀性能、润滑性能、粘度、结晶倾向、含杂

质情况，杂质特性、沸点、易燃易爆性、贵重程度、毒害程度等。

2、 压力：压力大小，压力波动性等。

3、 温度：温度大小，温差变化等。

4、 速度：转速、线速度，开停频繁程度等。

5、 设备状况：轴封部位结构，旋转方向，轴材质、机械密封材

质，可否加封液等。

6、 环境：泄漏液排放，冲洗液可能性等。

二、 机械密封的选型

1、机械密封的结构型式的选择

根据机械密封的分类，确定选择单端面或双端面，平衡型或非平衡型，内装式或外装式，旋转式或静止式，大弹簧或小弹簧结构，同时确定采用的机械密封标准。

选用非平衡型密封和平衡型密封取决于密封液体的压力、液体性质、密封端面的圆周速度、温度等。通常液体压力在0.49～0.98MpaG 以上时采用平衡型密封，低于此值采用非平衡型。与非平衡密封相比，平衡型密封的密封端面润滑较好，因此，即使在液体压力较低时，高速密封、润滑性差的液体介质的密封以及液化气之类低沸点液体的密封也可采用平衡型密封。

至于外装式密封，由于其密封环承受内压，所以只能在较低的压力下使用，但由于它可安装在密封腔的外部，易调整，同时其泄漏方向和离心力作用方向一致，密封端面内侧的润滑性优异，故也可用于润滑性差的液体介质和高速密封等，但是泄漏量比内装式密封大。

在选型时应尽可能选用结构简单、安装方便的单端面密封，只有在强腐蚀、高温、贵重介质时才选用双端面密封，在压力高时选用多级串联时密封。

2、摩擦副配对的确定

作为机封摩擦副材料，一般应具备下列条件：

（1）磨损小具有自润滑性

（2）耐热性好导热性能优良

（3）耐蚀性能优良

（4）机械强度高不变形

（5）要有气密性

（6）不损伤所配对的摩擦副材料

（7）容易加工和成形

3、辅助密封种类和材质的选定

在机械密封中，辅助密封圈除了弹性支承以及起到防止泄漏的作用外，还具有缓冲振动的功能。辅助密封圈的型式有：O 形圈、V 形圈、U 型圈、契形圈及波纹管等。

辅助密封主要根据压力、温度和液体性质来选定。通常采用丁晴橡胶，氟橡胶，乙丙橡胶、聚四氟乙烯等。

第三章 机械密封部件常用材料

一、 机械密封用材料的选用原则

1、必须满足机器、设备工作条件对材料的主要要求，弄清机器设

备的工况，了解对材料要求中的主要要求，选材只能首先满足主要要求，照顾次要要求。

2、掌握各种材料的基本性能——了解规律性。

3、选材时充分发挥材料的优点，克服或减少其缺点。

4、价廉，易获得，更于加工。

二、 密封部件常用材料

1、摩擦副

（1） 动环：硬质合金（WC ）、陶瓷（碳化硅、氮化硅、氧化铝陶

瓷）、堆焊硬质合金等。

（2） 静环：石墨（浸树脂石墨环、浸铜石墨环、浸锑石墨环）、

填充四氟、硬质合金（WC ）、陶瓷（碳化硅、氮化硅）。

（3） 辅助密封圈：橡胶（丁晴橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶），

聚四氟乙烯、包氟橡胶。

（4） 弹簧：3Cr3、1Cr13 、1Cr18Ni9Ti 、1Cr18NiMo2Ti 等。

第四章 机组轴封简介

一、 迷宫密封

用作气体密封，工作介质多次通过密封室和曲折通道的收缩产生节流作用。在收缩窄缝中进行绝热膨胀过程，气流压力和温度下降。在相邻的梳齿间气体在密封室内降速，几乎在恒压下消耗功能，温度恢复到初始值。由于气流继续在收缩窄和密封室中重复这一过程使气体密度递次减小，梳齿处压降和温降很大。迷宫密封常用于离心压缩机，透平膨胀机、汽轮机等。

二、浮环密封

浮环密封是一种径向可以活动的密封。这样就可以补偿转子相对箱体的不同心度和径向摆动。考虑到浮环的自由定位，密封的间隙和泄漏量应尽可能做到工艺上决定的最小值。浮环的密封性取决于径向间隙，浮环密封实质上是一种径向间隙密封和轴向端面密封的组合、非接触式密封与接触式密封的组合、流体静压密封与液体动压密封的组合下的混合密封。

三、 机械密封

高速机组采用静止式机封，稳定性更好，密封性能比迷宫密封，浮环密封更好。

四、干气密封。

干气密封作用原理：

干气密封实际上也是一种机械密封，它由转环、静环、弹簧、辅助密封圈组成。转环表面精加工出螺纹槽而且研磨、抛光密封面。螺旋槽深入2.5～10μm ，转环旋转时将被密封气体周向吸入螺旋槽内，由外径向中心，径向分量朝着的密封堰流动，而密封堰节制气体流向中心，于是气体被压缩引起压力升高。此流体膜层压力企图推开密封，形成要求的气膜。此平衡间隙或膜厚值为3μm ，这样，气体压力和弹簧力与张开力配合好，使气膜具有良好的弹性即气膜刚度高，形成稳定的运转并防止密封面相互接触。

第二讲 流体动密封

第一章 机械密封的原理及分类

一、 机械密封的原理

1、定义：机械密封（又称端面密封）指由两个圆环组成的一对密封元件，在其垂直于轴线的光洁而平直的表面上相互贴合，并作相对转动而构成的密封装置。

2、组成：静环、动环，弹簧加荷装置、密封圈辅助（动环密封圈、静环密封圈）。

3、机械密封的密封点：（1）静环与压盖之间（2）相对旋转密封点（3）动环与轴（或轴套）（4）压盖上密封垫片（5）轴套与轴之间。

二、 机械密封的优缺点（与填料密封比较）

1、优点：

（1） 结构可靠，不泄漏或少泄漏，泄漏量是填料密封的1/10。

（2） 使用寿命长，正确设计、使用的机械密封可连续运行1～2

年或更长时间。

（3） 磨擦损失小。填料密封是靠盘根压紧轴或轴套上起密封作

用，填料与轴直接接触，填料压得愈紧，摩擦力就越大，消耗的功率也愈大。机械密封摩擦处于半液体摩擦状态，材料的摩擦系数又很小，故所耗功率小。一般，机械密封的功率损失约为填料密封的10～20%。

（4） 轴或轴套不受磨损。

（5） 适用范围广：高温、低温、高压、高真空、易燃、剧毒、

强腐蚀性介质都可选用相配的机械密封。

2、缺点：

机械密封比填料密封复杂，加工要求较高，并需要一定的安装技术，价格比填料密封贵得多。

三、 机械密封的分类

1、内装式与外装式

内装式是弹簧置于工作介质之内，外装式是弹簧置于工作介质之外

（1）内装式特点：

A 、 摩擦副处于介质中，润滑冷却效果好。

B 、 受力情况好，F 弹、F 介方向一致。

C 、 泄漏方向与离心力方向相反，阻止介质外泄。

（2）外装式特点：

A 、 大部分零件与介质接触，选用材料方便。

B 、 大部分零件在外便于观察、调整、安装。

C 、 受力不好，F 弹与F 介方向相反，密封面易脱开。

D 、 泄漏方向与离心力方向一致，介质易外泄。

2、单（大）弹簧与多（小）弹簧

特点比较：

（1）弹簧比压均匀性：多弹簧好。

（2）转速高时，高速偏移：多弹簧更稳定。

（3）耐蚀性：同样工况下，大弹簧耐蚀性比小弹簧好。

（4）介质中含有颗粒：弹簧压缩小弹簧易卡死。

（5）弹簧高速范围：小弹簧范围大。

（6）所占空间：大弹簧要求轴向尺寸大，径向尺寸小。小弹簧要

求轴向尺寸小，径向尺寸大。

3、平衡型与非平衡型

内装式平衡型与非平衡型机械密封受力如图示：

图（1）K 内≥为非平衡型（2）O

4、旋转式与静止式

旋转式即是弹簧装置随轴转动，静止式即弹簧装置不转动。一般的机械密封都是采用旋转式，高转速情况下，弹簧及其它转动零件产生的离心力很大，动平衡要求高，有的介质经强烈搅动后易结晶，在这种情况下采用静止式较适宜。

5、单端面与双端面

从结构比较来看，单端面比双端面简单，在制造和拆装上都较容易，因而使用很普遍。双端面机械密封由于结构较为复杂，要通入带压液体（封液）至密封腔内起“堵封”和润滑作用，需另设一套装置，目前应用较少，只使用于特殊工况、介质。

6、焊接金属波纹管密封：高温密封

第二章 机构密封的选型

一、 掌握确切的工况条件：

1、 介质的特点：腐蚀性能、润滑性能、粘度、结晶倾向、含杂

质情况，杂质特性、沸点、易燃易爆性、贵重程度、毒害程度等。

2、 压力：压力大小，压力波动性等。

3、 温度：温度大小，温差变化等。

4、 速度：转速、线速度，开停频繁程度等。

5、 设备状况：轴封部位结构，旋转方向，轴材质、机械密封材

质，可否加封液等。

6、 环境：泄漏液排放，冲洗液可能性等。

二、 机械密封的选型

1、机械密封的结构型式的选择

根据机械密封的分类，确定选择单端面或双端面，平衡型或非平衡型，内装式或外装式，旋转式或静止式，大弹簧或小弹簧结构，同时确定采用的机械密封标准。

选用非平衡型密封和平衡型密封取决于密封液体的压力、液体性质、密封端面的圆周速度、温度等。通常液体压力在0.49～0.98MpaG 以上时采用平衡型密封，低于此值采用非平衡型。与非平衡密封相比，平衡型密封的密封端面润滑较好，因此，即使在液体压力较低时，高速密封、润滑性差的液体介质的密封以及液化气之类低沸点液体的密封也可采用平衡型密封。

至于外装式密封，由于其密封环承受内压，所以只能在较低的压力下使用，但由于它可安装在密封腔的外部，易调整，同时其泄漏方向和离心力作用方向一致，密封端面内侧的润滑性优异，故也可用于润滑性差的液体介质和高速密封等，但是泄漏量比内装式密封大。

在选型时应尽可能选用结构简单、安装方便的单端面密封，只有在强腐蚀、高温、贵重介质时才选用双端面密封，在压力高时选用多级串联时密封。

2、摩擦副配对的确定

作为机封摩擦副材料，一般应具备下列条件：

（1）磨损小具有自润滑性

（2）耐热性好导热性能优良

（3）耐蚀性能优良

（4）机械强度高不变形

（5）要有气密性

（6）不损伤所配对的摩擦副材料

（7）容易加工和成形

3、辅助密封种类和材质的选定

在机械密封中，辅助密封圈除了弹性支承以及起到防止泄漏的作用外，还具有缓冲振动的功能。辅助密封圈的型式有：O 形圈、V 形圈、U 型圈、契形圈及波纹管等。

辅助密封主要根据压力、温度和液体性质来选定。通常采用丁晴橡胶，氟橡胶，乙丙橡胶、聚四氟乙烯等。

第三章 机械密封部件常用材料

一、 机械密封用材料的选用原则

1、必须满足机器、设备工作条件对材料的主要要求，弄清机器设

备的工况，了解对材料要求中的主要要求，选材只能首先满足主要要求，照顾次要要求。

2、掌握各种材料的基本性能——了解规律性。

3、选材时充分发挥材料的优点，克服或减少其缺点。

4、价廉，易获得，更于加工。

二、 密封部件常用材料

1、摩擦副

（1） 动环：硬质合金（WC ）、陶瓷（碳化硅、氮化硅、氧化铝陶

瓷）、堆焊硬质合金等。

（2） 静环：石墨（浸树脂石墨环、浸铜石墨环、浸锑石墨环）、

填充四氟、硬质合金（WC ）、陶瓷（碳化硅、氮化硅）。

（3） 辅助密封圈：橡胶（丁晴橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶），

聚四氟乙烯、包氟橡胶。

（4） 弹簧：3Cr3、1Cr13 、1Cr18Ni9Ti 、1Cr18NiMo2Ti 等。

第四章 机组轴封简介

一、 迷宫密封

用作气体密封，工作介质多次通过密封室和曲折通道的收缩产生节流作用。在收缩窄缝中进行绝热膨胀过程，气流压力和温度下降。在相邻的梳齿间气体在密封室内降速，几乎在恒压下消耗功能，温度恢复到初始值。由于气流继续在收缩窄和密封室中重复这一过程使气体密度递次减小，梳齿处压降和温降很大。迷宫密封常用于离心压缩机，透平膨胀机、汽轮机等。

二、浮环密封

浮环密封是一种径向可以活动的密封。这样就可以补偿转子相对箱体的不同心度和径向摆动。考虑到浮环的自由定位，密封的间隙和泄漏量应尽可能做到工艺上决定的最小值。浮环的密封性取决于径向间隙，浮环密封实质上是一种径向间隙密封和轴向端面密封的组合、非接触式密封与接触式密封的组合、流体静压密封与液体动压密封的组合下的混合密封。

三、 机械密封

高速机组采用静止式机封，稳定性更好，密封性能比迷宫密封，浮环密封更好。

四、干气密封。

干气密封作用原理：

干气密封实际上也是一种机械密封，它由转环、静环、弹簧、辅助密封圈组成。转环表面精加工出螺纹槽而且研磨、抛光密封面。螺旋槽深入2.5～10μm ，转环旋转时将被密封气体周向吸入螺旋槽内，由外径向中心，径向分量朝着的密封堰流动，而密封堰节制气体流向中心，于是气体被压缩引起压力升高。此流体膜层压力企图推开密封，形成要求的气膜。此平衡间隙或膜厚值为3μm ，这样，气体压力和弹簧力与张开力配合好，使气膜具有良好的弹性即气膜刚度高，形成稳定的运转并防止密封面相互接触。