6_流体密封_机械密封

单端面与多端面
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旋转式机械密封
旋转式机械密封（大弹簧和小弹簧） 图4-49 旋转式机械密封（大弹簧和小弹簧）
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⑶机械密封的发展
填料密封——压力高 、 速度快 压力高、 速度快——两平面间较窄的径 填料密封 压力高 两平面间较窄的径 向密封面比软填料密封较长的两圆柱的轴向密封面 更为有利，出现了机械密封。 更为有利，出现了机械密封。 1885年英国第一个机械密封专利 1885年英国第一个机械密封专利 本世纪初应用于工业 初期的机械密封结构比较简单，材质也差， 初期的机械密封结构比较简单，材质也差，使用 寿命短。 寿命短。
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内装式与外装式
• 内装式：弹簧置于介质之内。受力情况较好， 内装式：弹簧置于介质之内。受力情况较好， 泄漏量小，密封较可靠，使用较普遍。 泄漏量小，密封较可靠，使用较普遍。
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内装式与外装式
• 外装式：弹簧置于介质之外。 外装式：弹簧置于介质之外。 弹簧等零件不与介质接触，切暴露在商标外， 弹簧等零件不与介质接触，切暴露在商标外，便于观 察和维修安装，但受力情况不好，泄漏量较大。 察和维修安装，但受力情况不好，泄漏量较大。 适用场合：腐蚀介质、粘稠介质、易结晶低压介质的 适用场合：腐蚀介质、粘稠介质、 密封，以及受安装限制的场合的密封。 密封，以及受安装限制的场合的密封。
密封流体压力作用比压p 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。 流体压力所施加的使密封端面闭合的力。
pAe d −d 4 pe = = =p π 2 A d −d 2 (d2 − d1 ) 4
2 2 2 2
p
π
(d − d )
2 2 2 b
2 b 2 1
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3 机械密封的设计
机械密封的设计原则： ⑴ 机械密封的设计原则： 首先， 通过合理的密封腔设计、 首先 ， 通过合理的密封腔设计 、 密封腔内流体状态 温度、 气体含量、 汽化情况、 固体颗粒含量等） （ 温度 、 气体含量 、 汽化情况 、 固体颗粒含量等 ） 控制， 控制 ， 尽可能提供一个有利于密封良好工作的外 部环境； 部环境； 其次， 在设计和选择机械密封辅助系统时， 其次 ， 在设计和选择机械密封辅助系统时 ， 应充分 考虑到影响密封性能因素的复杂的相互作用关系。 考虑到影响密封性能因素的复杂的相互作用关系 。
pAe d −d 4 = =p pe = π 2 A d −d 2 (d2 − d1 ) 4
2 2 2 2
p
π
(d − d )
2 2 2 b
2 b 2 1
式中： 式中：p——密封流体压力 密封流体压力 指机械密封内外侧流体的压差， 指机械密封内外侧流体的压差，p=p1-p2
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载荷系数K： 载荷系数 ： 密封流体压力作用在补偿环上，使之对于非 密封流体压力作用在补偿环上， 补偿环趋于闭合的有效作用面积A 与密封带面积A 补偿环趋于闭合的有效作用面积 e与密封带面积 之比。其物理本质是密封流体压力作用比压 之比。其物理本质是密封流体压力作用比压pe与密 封流体压力p之比。 封流体压力 之比。 之比
F − F (Kp + ps ) A− λpA o pc = c = A A = ps + (K − λ) p
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2 机械密封的分类
按使用密封的工作主机分： ⑴ 按使用密封的工作主机分： 泵用机械密封 釜用机械密封 压缩机用机械密封 ⑵ 按不同的工作参数分
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高温机械密封 中温机械密封 密封腔温度 普通机械密封 低温机械密封
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一般弹簧比压的推荐值 对内装式机械密封， 对内装式机械密封，ps=0.1~0.2MPa
对于外装式非平衡密封 p < 0.1MPa, ps = 0.3 ~ 0.4MPa p = 0.1 ~ 0.25MPa, ps = 0.4 ~ 0.6MPa 真空条件下， = 0.2 ~ 0.3MPa ps
一批机械密封的研究机构和队伍
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⑷ 力学分析
密封环带面积A： 密封环带面积 ： 较窄的密封端面外径d 与内径d 较窄的密封端面外径 2与内径 1之间的环形区域 的面积，即与另一密封端面的有效接触面积。 的面积，即与另一密封端面的有效接触面积。
A = 0.785(d − d )
2 2 2 1
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弹簧比压p 单位面积上的弹簧力，总的弹簧力Fs 弹簧比压 s：单位面积上的弹簧力，总的弹簧力 除以密封环带的面积A， 除以密封环带的面积 ，即
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⑵ 机械密封的设计程序
a 获取设计条件 b 确定基本设计 g 弹性元件设计 h 密封辅助系统设计 i 主要工作参数计算 j 标准化和工艺审查 k 进行型式试验 l 编制零件表、使用说明书， 编制零件表、使用说明书， 完善设计技术文件
ps = Fs / A = Fs / 0.785(d − d )
2 2 2 1
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密封流体压力有效作用面积Ae：密封流体压力作用 密封流体压力有效作用面积A 在补偿环上， 在补偿环上，使之对非补偿环趋于闭合的有效 作用面积。 作用面积。
Ae = 0.785(d − d )
2 2 2 b
式中：db为滑移直径，也称为平衡直径，指密封流 式中： 为滑移直径，也称为平衡直径， 体压力作用在补偿环辅助密封圈处轴的直径。 11 体压力作用在补偿环辅助密封圈处轴的直径。
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我国机械密封的发展
从上世纪50年代开始研制、 年代开始认识和使用 从上世纪 年代开始研制、60年代开始认识和使用 年代开始研制 机械密封，随后陆续生产、研究， 机械密封，随后陆续生产、研究，形成一定的研 究、设计和生产能力，并制订了一系列的标准。 设计和生产能力，并制订了一系列的标准。 我国著名高科技密封公司有： 我国著名高科技密封公司有： 天津鼎名密封有限公司（王玉明院士） 天津鼎名密封有限公司（王玉明院士）
二十世纪五十年代以后，为了满足宇航、核电、 二十世纪五十年代以后，为了满足宇航、核电、天然气输送和石油化工 工业迅速发展的需要，对机械密封提出了更高的要求， 工业迅速发展的需要，对机械密封提出了更高的要求，从而大大推动了 该项技术的进步，不断涌现出密封新结构和新材料。 该项技术的进步，不断涌现出密封新结构和新材料。
Fc = pe A+ ps A = KpA+ ps A = (Kp + ps ) A
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开启力Fo 开启力F 作用在补偿环上使之对于非补偿环趋 于开启的力。 于开启的力。
F o= pm A = λpA
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端面比压pc 端面比压p 作用在密封环带上单位面积上的静闭合力。 作用在密封环带上单位面积上的静闭合力。
机械密封（ 机械密封（端面密封 ）
Mechanical Seals/Mechanical face seals/ Face seals 1机械密封及其发展 机械密封及其发展 ⑴ 定义：在流体压力和补偿机构弹力的作用 定义： 以及辅助密封的配合下， 以及辅助密封的配合下，由至少一对垂至于 旋转轴线的端面保持贴合并相对滑动而构成 的防止流体泄漏的装置。 的防止流体泄漏的装置。 ⑵ 机械密封的基本结构和工作原理
平衡型：卸荷、 平衡型：卸荷、密封端面仅受部分介质压力作用
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非平衡型： 非平衡型： 不卸荷， 不卸荷，密封端面承受全部的介质压力作用
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平均流体膜压力pm：密封端面间流体膜的平均压力
pm
∫ p dA =
A r
A
式中： 式中：pr——在密封端面上任意半径处的流体膜 在密封端面上任意半径处的流体膜 压力， 压力，即流体膜压力沿密封端面半径方向大压 力分布。 力分布。 18
pe Ae d − d K= = = p A d −d
2 2 2 2
2 b 2 1
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pe Ae d − d K= = = p A d −d
2 2 2 2
2 b 2 1
K≥1时，即Ae≥A，密封流体压力作用面积大于等于 ≥ 时 ， 密封环带面积（承载面积），称为非平衡机械密封 ），称为非平衡机械密封； 密封环带面积（承载面积），称为非平衡机械密封； K＜1时，密封流体压力作用面积小于于等于密封环 ＜ 时 带面积（承载面积），称为平衡机械密封 ），称为平衡机械密封。 带面积（承载面积），称为平衡机械密封。 15
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超高压机械密封 高压机械密封 密封腔压力中压机械密封 低压机械密封 真空机械密封
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⑶ 按结构型式分
平 型 非 衡 力 衡 况 压 平 情 衡 平 型 端 密 摩 副 数 单 面 封 擦 对 端 密 双 面 封 内 式 流 封 质 漏 式 密 介 泄 方 外 式 流 结 型 构 式 弹 弹 数 单 簧 簧 量多 簧 弹 体 压 流 静 式 封 结 密 面 构 体 压 流 动 式 簧 紧 弹 元 弹 压 式 性 件 纹 式 波 管
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机械密封示意图
泄漏点4
泄漏点3
泄漏点1 泄漏点2
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1.紧固螺钉；2.弹簧座；3.弹簧； 动环辅助密封圈； 1.紧固螺钉；2.弹簧座；3.弹簧；4. 动环辅助密封圈； 紧固螺钉 弹簧座 弹簧 5.动环（补偿环）；6.静环（非补偿环）；7.静环辅助密封圈； 8.防转销 5.动环（补偿环）；6.静环（非补偿环）；7.静环辅助密封圈； 8.防转销 动环 ）；6.静环 ）；7.静环辅助密封圈 2
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单弹簧与多弹簧
单弹簧又称大弹簧， 适用于负荷较轻，直径较小，介质粘度较大 或易结晶的场合，适宜大量生产。
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单弹簧与多弹簧
多弹簧又称小弹簧， 多弹簧又称小弹簧， 适用于负荷较高，直径较大， 适用于负荷较高，直径较大，密封要求严格 的场合。 的场合。 端面比压稳定，不受轴径影响。 端面比压稳定，不受轴径影响。