论提高填料使用寿命的冷却措施

2014-11-27戴安俊凌永骧

压缩机技术 2014年4期

戴安俊，凌永骧，卢云

（1.上海交通大学，上海 201101；2.托格（上海）压缩机有限公司，上海 200949；3.沈阳空气压缩机制造有限公司，辽宁沈阳 110000）

1 引言

填料是阻止气缸内气体自活塞杆与气缸之间泄漏的组件，对填料的基本要求是密封性能良好、并耐用。

填料的密封原理：是利用阻塞和节流两种作用的组合，是动密封。填料元件由内缘和活塞杆相配合阻塞气流轴向泄漏。填料与活塞杆表面的接触处，应有初始力，此力由填料外缘弹簧紧箍着，在工作过程中，填料的外缘面上有从气缸泄漏来的有压介质作用，从而给活塞杆表面产生压力。

填料的结构分为：它紧式和自紧式。即它紧式填料当磨损后，需人工拧紧压板，使其再次贴紧活塞杆；自紧式填料磨损后能自动补偿。填料主要有平面（见图2）和锥面（见图3）两类。

笔下简述平面填料密封机理：平面填料是由2块平面元件构成，其与填料盒组成一组密封组件，气缸一侧的一块由3瓣组成，背离气缸一块由6瓣组成，每一块外缘绕有螺旋弹簧，仅起预紧的作用，3瓣缚于活塞杆上时切口仍留有间隙，3瓣的径向切口需与6瓣的切口相错开，利用3瓣的填料从轴向挡住6瓣的径向切口，阻止气体轴向的泄漏。3瓣填料元件径向切口，由6瓣所盖住，以阻止气体沿径向泄漏，3、6瓣的径向切口都具有一定的间隙，以便内缘磨损后能自动补偿。

2 数学表达式

填料泄漏量可用下式表示：

图1

式中 δ——密封件内表面与活塞杆的径向间，m

d——活塞杆直径，m

Δp——密封件前后气体压力差，Pa

η——气体的动力粘度系数，Pa·s

L——密封件长度，cm

上式表明：

（1）填料的泄漏量与δ2成正比例，δ值是影响气体泄漏的主要因素；

（2）气体的动力粘度系数η值增大，泄漏量降低，故填料注油时减少泄漏是有益的；

（3）减少密封件前后气体压力差，则使泄漏量下降；故在填料组件前增设均压环（节流环）能有效的减少压力差，并稳定气流流动。

3 冷却措施

为了改善填料的工作条件，提高寿命，填料需要良好的冷却，以导走密封元件和活塞杆的摩擦热及气体带来的热量，无注油点填料塑料件的冷却更为重要。

众所周知，在有十字头的往复压缩机中，填料是易损件之一，它与活塞环、气阀等易损件一样，决定了压缩机的使用投资，是不可或缺的因素之一。其他诸如油耗、电耗、维护暂不论述，仅就提高填料的使用寿命冷却措施论述如下：

图2

图3

各种填料在使用时都有一种预紧过程，即填料紧贴活塞杆表面。因此填料与活塞杆之间产生滑动摩擦，进而先热，此热量必须及时导出，否则高热量会导致活塞杆表面及填料损坏，丧失功能而停机，这些是人们必须设法避免的。填料的冷却技术，随着社会发展与技术进步，其冷却措施有一个渐进过程，如低压的动力用空压机，其填料为金属（或铁基粉末冶金）材料制成，且无填料盒，只在气缸座上设置有填料腔，供装填料用，在填料腔壁的外则与冷却水腔的水相接（见图 4）。

图4

对中压及以上密封压力填料和自润滑材料制成的填料，由上述方法来冷却填料，深感不足，即在填料盒上轴向打孔，用专用冷却水来冷却填料，低温的冷却水由填料压盖下方引入，通过填料盒底部靠近气缸压缩腔（图5）轴向折回数次，最后由填料压盖上部流出，此冷却水的温差不大，仅仅几摄氏度。现其冷却效果仍不明显，人们仍有对冷却措施的追求，这就是发展到的第3代冷却措施，如图6所示。

图5

纵观第1、2代的冷却措施，其冷却处都在填料热源点的远郊，冷却不得要领，效果不佳，如图7所示。

图6

图7

在填料和被水冷却的填料盒之间存在间隙δ、δ1和Δ，其间充满有压的热气，此气的导热性极差，故冷却不到填料，冷却效果不佳，至于活塞杆和填料摩擦的热源冷却，可用活塞杆内冷却来解决，这不是填料的冷却措施，因活塞杆的内冷却（油冷却）与填料冷却时，各行其道，在此不论述。

第3代的填料冷却措施见图7。图示隔板与前一盒中的填料接触，此时隔板受其右侧室中冷却剂冷却，冷却剂的进口温度最佳时为小于35℃，其温升预计可达10℃以上，显而易见冷却的位置在关键点上，故冷却效果是明显的，所以能冷却填料。环形室中的冷却剂（水）还能冷却由气缸压缩容积串出来的有压高温介质。另外，将活塞杆内冷和本节第3代填料冷却措施并用，定会取得更佳的提高填料使用寿命的效果。

综上所述，该填料的冷却措施将大大降低填料的热负荷，以达到追求的目的之一。

4 填料组数选取

在填料的设计过程中，通常根据活塞环直径的大小及密封介质压力的高低，选取一定数量的填料，按填料盒装一组填料元件计，填料盒（组数）数宜少不宜多，从其密封机理看，选定的填料数，并非同时起密封作用，而是前3组填料起到密封80%以上介质压力。后面组数填料作为替补者，已达到整个填料的使用寿命，宁可在填料的前端，靠近气缸压缩容积处设置均压圈来减少填料承受过大的压力脉冲，比多设置填料组数来的效果大。如果密封压力为常数，则会较快泄压，不能密封了，但此压力的变化值又不能过大，否则造成填料在填料盒中的跳动。这就是均压圈存在的必要性，否则将丧失。

填料盒组数越多其产生的摩擦热量（力）也就越大，这给组填料的冷却带来更大的难度，任何情况下，以填料组数不超过7组或7个填料盒为宜，但是如果冷却措施得当，则填料盒数在8～9盒组为极值。所提高的使用寿命与其结构的实施有一个最佳平衡点，否则将得不偿失（图8）。

图8

图9

图9压力由p1降为p0（图示不按比例），p0约等于环境压力或稍高些（可按放空管路）。作用于活塞杆表面上力pi，在填料区内则产生摩擦力，从而产生热量，这是本文的特别关注点。填料盒越多则产生热量越大，其长度应小于、等于行程长度最佳。但是高压填料较难满足这一要求，但可在其中段充入低温的该级吸气压力来减少pi与p0的压差，此时还能降低填料内的温度，将改善该填料的恶劣工况。当小于行程长度时，活塞杆上有一段会伸入气缸内和均压区内，受吸气过程较低温度介质冷却作用而降温，这有利于填料冷却剂导出热负荷的减少，特别是非金属（塑料）材质填料元件的温升降低，而不致发生“冷流”现象，这也就提高了填料的使用寿命。

在填料区内，如图9所示，当靠均压圈的几组填料失效后，pi见虚线所示至L点，如在此处，充入较低温的该级吸气压力，（如图中网线区），则L点将不再继续右移，此时的本填料即为上一级填料同样的密封压力，则此可不计入高压填料了，问题可好解决的多，即将高压填料演化成中低压填料了，其寿命会大大提高。

鉴于上所述，填料所泄漏的介质为“内漏”，只是重新返回吸气口在压缩，不是浪费介质或排入大气，污染环境。

第3代填料，经对填料结构进行了创新后，将适用于中低压密封填料（<10 MPa）成功地应用在密封25 MPa的CNG加气站用增压压缩机上，实践证明仅用了7组密封盒（填料），填料材质为非金属材质，从而打破了高压密封需采用“T”型填料的历史，并论证了平面填料在低、中、高压密封场合是有条件适用的。由此可见，对填料进行充分冷却，是提高填料使用寿命的关键所在。