九、真空密封

真空聯(lián)機(jī)密封性能取決于聯(lián)接處的泄露和真空材料的放氣。對任何真空系統(tǒng)總希望漏、放氣量與密封形式、密封材料、加工精度及裝配質(zhì)量等諸多因素有關(guān)，故在聯(lián)接處總會存在一定的漏、放氣量，因此可根據(jù)真空系統(tǒng)工作的性質(zhì)，真空室工作工作應(yīng)力的高低及其出口處抽氣速度的大小提出要求。
      真空系統(tǒng)中的壓力在高于10-5Pa真空范圍內(nèi)廣泛使用合成橡膠、環(huán)氧樹脂和塑料。當(dāng)真空度提到壓力10-7Pa的真空范圍時(shí)，這些密封材料就不能用了，需要應(yīng)用超高真空的密封材料如金或銅作墊圈，而真空殼體不能用軟剛需要改用不銹鋼。
      超真空氣體內(nèi)的氣體狀態(tài)是動態(tài)平衡狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)的壓力極限，一方面與泵的有效抽速有關(guān)，另一方面與來自真空殼體及其內(nèi)部的零部件的氣流量有關(guān)。因雖有系統(tǒng)的有效抽速由于泵有結(jié)構(gòu)尺寸和費(fèi)用的原因，總存在實(shí)際限制。所以，減少氣流量就成為達(dá)到超高真空狀態(tài)的基本設(shè)計(jì)目標(biāo)，成為選擇超高真空材料的主要準(zhǔn)則。
      作為真空系統(tǒng)內(nèi)部用的材料，要求飽和蒸汽壓低，為了減少慢性解吸和體出氣，要求能耐450℃高溫烘烤，而不降低機(jī)械強(qiáng)度和不發(fā)生化學(xué)和物理損傷。作為真空系統(tǒng)殼體材料，要求能忽略氣體滲透，承受得住大氣壓的壓力，烘烤期間耐空氣侵蝕和不發(fā)生漏氣。此外，要求選用材料，加工制作容易，價(jià)廉易得。
      對于真空度低于10-7Pa的超高真空，雖然天然和合成橡膠是理想的密封圈材料，彈性好，裝配成真空密封后法蘭螺栓受力很小，而且可以多次重復(fù)使用。但由于超高真空系統(tǒng)要求密封圈材料耐250℃烘烤，實(shí)際上可可供選用的幾種橡膠材料都不能滿足要求。真空度更高（即壓力更低）的超高真空，則必須采用金屬密封。
      9.1 真空用橡膠密封圈
      接觸式真空動密封的結(jié)構(gòu)，最常用的有下面幾種類型：
      1）J型真空用橡膠密封。
      J型真空用橡膠密封圈工作表面應(yīng)平整光滑，不允許有氣泡雜質(zhì)、凹凸不平等缺陷。
      2）O型真空用橡膠密封圈。
      3）骨架型真空用橡膠密封圈
      4）真空用O形橡膠密封圈
      9.2真空用金屬密封圈
      金屬密封圈密封的可拆聯(lián)接是超高真空系統(tǒng)中常用的聯(lián)接形式。它是為滿足超高真空要求而必須經(jīng)200～400℃的高溫烘烤除氣而采用的密封方式。
      常用的金屬密封圈的材料有金絲和無氧銅兩種，它們有下列一些性能：
      金（Au）具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，高溫時(shí)不氧化，塑性好，屈服極限比銅或鋁低一倍，在較小的夾緊力下即可產(chǎn)生塑性變形，膨脹系數(shù)為αg=14×10-6cm/cm·℃，比不銹鋼的膨脹系數(shù)αs=18×10-6cm/cm·℃稍低。金制密封圈雖有良好的密封性能，但在夾緊力的作用下會發(fā)生顯著的變形硬化，強(qiáng)度增加。為了保證密封圈密封，必須增大加緊力，而過大的加緊力又會在法蘭表面上引起壓力痕，影響密封性能。因此，用在要求較高而不經(jīng)過裝拆的聯(lián)接，拆開后重新裝配時(shí)需要更換密封圈。由于金的價(jià)格比較貴，它的應(yīng)用受到較大的限制。
      銅（Cu）的熱膨脹系數(shù)為αs=16.4×10-6cm/cm·℃。銅的硬度比較大，銅制密封圈在使用前必須在真空或氫氣中進(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。無氧銅是目前超高真空密封聯(lián)接中常用的密封圈材料。其不足之處是高溫烘烤中與大氣接觸部分會氧化，因此，在要求高的情況下，將無氧銅的密封圈的表面鍍一層金，使其具有更好的密封性能。
      作為聯(lián)接用的法蘭盤材料也必須能承受高溫烘烤、抗氧化以及在高溫時(shí)仍有良好的力學(xué)性能。最常用的材料是不銹鋼。法蘭密封表面的粗糙度和尺寸就精度均應(yīng)滿足超高真空密封的要求。
      9.3 采用軟件變形的動聯(lián)接密封
      9.3.1 非金屬軟件變形的動聯(lián)接密封
      9.3.2 金屬軟件變形的動聯(lián)接密封
      9.4 真空用的其他密封
      9.4.1 真空用磁流體密封
      真空轉(zhuǎn)軸密封具有代表的典型結(jié)構(gòu)是接觸式的威爾遜密封。為了防止軸在高速旋轉(zhuǎn)、下氣體的泄露，只能增加密封接觸界面上的壓力。但是由此而產(chǎn)生的摩擦發(fā)熱問題卻難以解決。因此，研制摩擦損失小，使用壽命長的新型密封結(jié)構(gòu)已成為真空裝置中應(yīng)當(dāng)解決的重大問題之一。為了解決這一問題，近年來應(yīng)用磁流體進(jìn)行真空轉(zhuǎn)軸動密封的技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外取得了成功。
      真空中應(yīng)用磁流體密封的優(yōu)點(diǎn)：
      1）磁流體密封真空轉(zhuǎn)軸可消除密封件間的接觸所產(chǎn)生的摩擦損失，提高軸的轉(zhuǎn)速（可達(dá)120000r/min），大大減少泄露。如果采用低蒸汽壓的磁流體可將真空室內(nèi)的真空度維持在1.3×10-7Pa以上。
      2）磁流體的密封結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，軸與極靴間的間隙較大，因此可不必要求過高的制造精度。
      3）磁流體在密封空隙中由磁鐵所產(chǎn)生的磁場所固定，因此軸的起動和停止較方便。其缺點(diǎn)是磁流體在高溫下難以穩(wěn)定，工作溫度一般在-30～120℃之間。軸的過高或過低溫度下工作時(shí)需要采用冷卻或升溫措施，從而使密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
      9.4.2 聯(lián)接接隔板密封
      利用磁力把動力傳遞當(dāng)真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場1，該磁場帶動真空容器內(nèi)鼠籠式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，即可達(dá)到隔板密封的目的。
      這種密封裝置的特點(diǎn)：
      1）磁聯(lián)接隔板密封對真空容器內(nèi)的真空條件沒有顯著影響，同其他幾種動密封相比，其真空可靠性大。
      2）運(yùn)動件與真空容器壁不相接觸，在傳遞運(yùn)動過程中隔板或隔離圈筒除承受壓力差外，不承受其他載荷，從而可以保證磁聯(lián)接隔板密封的可靠性。
      3）真空容器內(nèi)的“污染”，僅取決于運(yùn)動部件本身的結(jié)構(gòu)元件，特別是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
      磁聯(lián)接隔板密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題：
      1）外磁鐵應(yīng)盡量接近真空器的內(nèi)壁；
      2）隔離平板或隔離圈筒應(yīng)用非磁性材料制造；
      3）傳遞運(yùn)動的鐵芯形狀與磁鐵的形狀相適應(yīng)，而且容器壁或真空室內(nèi)的其他零件應(yīng)保證鐵芯運(yùn)動方向；
      4）為了減少放氣和摩擦建議用包著玻璃的鐵芯；
      5）磁場強(qiáng)度和磁鐵與鐵芯的距離應(yīng)選擇使它們運(yùn)動時(shí)與容器壁或容器內(nèi)的水銀、銦等的沖擊不大。

十、離心、停車和全封閉密封

 10.1 離心封閉
      10.1.1 離心密封的結(jié)構(gòu)型式
      離心密封是利用回轉(zhuǎn)體帶動流體使之產(chǎn)生離心力以克服泄露的裝置，其密封能力來源于機(jī)器軸的旋轉(zhuǎn)帶動密封元件所做的功，因此它屬于一種動力密封。
      離心密封的特點(diǎn)：它沒有直接接觸的摩擦副，可以采用較大的密封間隙，因此能密封含有固相雜質(zhì)的介質(zhì)，磨損小，壽命長，若設(shè)計(jì)合理可以做到接近于零泄露。但是這種密封所能克服的壓差小，亦即密封的減壓能力低。離心密封的功率消耗大，甚至可達(dá)泵有效功率的1/3。此外，由于它是一種動力密封，所以一停車立即喪失密封功能，為此必須輔以停車密封。
      10.1.2 離心密封的減壓能力
      10.2.1 背葉片密封
      如果工作輪后蓋板上無葉片，亦即為光滑盤時(shí)，則處于后蓋板與泵殼間隙腔中的液體將以工作輪角速度的ω/2的旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，間隙空腔中的壓力沿徑向按拋物線規(guī)律分布，如圖10-5中的壓力將沿ABEKG分布，也就是說，軸封處的壓力降低了。
      10.2 停車密封
       停車密封是動力密封的重要組成部分。當(dāng)部件旋轉(zhuǎn)頻率降低或停車時(shí)，動力密封失去密封能力，只有依靠停車密封阻止流體泄漏。某些液封和氣封液帶有停車密封，以便停車后將封液、封氣系統(tǒng)關(guān)閉。停車密封的結(jié)構(gòu)類型有多種，其中應(yīng)用最廣的是離心式停車密封，此外還有壓力調(diào)節(jié)式停車密封，脹胎式停車密封等。
      10.2.1離心式停車密封
     典型的離心式停車密封結(jié)構(gòu)，泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)靠背葉片的離心作用密封。停車時(shí)，在彈簧力推動下，使泵軸向左滑移而將錐套填料抵緊，阻止泄漏。起動后離心子甩開，其抓部拔動軸肩使軸左移，將錐套與填料密封脫開，是密封面不受磨損。
      10.2.2 壓力調(diào)節(jié)式停車密封
      與螺旋密封組合的壓力調(diào)節(jié)式密封，停車時(shí)，可在軸上移動的螺旋套，在彈簧力推動下，是其臺階端面與機(jī)殼端面壓緊而密封。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩段反向的螺旋使間隙中的粘性流體在端面處形成壓力峰，作用于螺旋軸的臺階端面處使其與殼體端面脫離接觸。
      帶有滑閥的停車、密封。當(dāng)壓差缸卸壓，片彈簧推移的滑閥與軸肩接緊而實(shí)現(xiàn)停車密封。
      10.3 全封閉密封
      10.3.1 全封閉密封
      全封閉密封是將系統(tǒng)內(nèi)外的泄露通道全部隔斷，或者將工作機(jī)和動機(jī)置于同一密閉系統(tǒng)內(nèi)，可以完全杜絕介質(zhì)向外泄露。
      全封閉密封沒有一般動密封存在的摩擦、磨損、潤滑以及流體通過密封面的流動即泄露問題，是一種特殊類型的密封。在密封劇毒、放射性和稀有貴重物質(zhì)等方面以及在其實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)生中，全封閉密封都有重要用途。

十一、浮環(huán)密封

     浮動環(huán)密封簡稱浮環(huán)密封，用于離心壓縮機(jī)、氫冷氣輪發(fā)電機(jī)、離心泵等軸封。
      在中、高壓離心壓氣機(jī)中可供選擇的密封方式有：機(jī)械密封、迷宮密封和填料密封。但由于氣體的散熱和潤滑條件不如液體，所以填料密封只有小型、低速才用，而機(jī)械密封在周速大于40m/s溫度高于200℃以后也很難適應(yīng)，只有迷宮密封和浮環(huán)密封是最常用的兩種方式。
      浮環(huán)密封有下列優(yōu)點(diǎn)：
      1）密封結(jié)構(gòu)簡單，只有幾個(gè)形狀簡單的環(huán)、銷、彈簧等零件。多層浮動環(huán)也只有這些簡單零件的組合，比機(jī)械密封零件少。
      2）對機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)并不敏感，有穩(wěn)定密封性能。
      3）的密封件不產(chǎn)生磨損，密封可靠，維護(hù)簡單、檢修方便。
      4）因密封件材料為金屬，固耐高溫。
      5）浮環(huán)可以多個(gè)并列使用，組成多層浮動環(huán)，能有效的密封10MPa以上的高壓。
      6）能用于10000～20000r/min的高速旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，尤其使用于氣體壓縮機(jī)，其許用速度高達(dá)100m/s以上，這是其他密封所不能比擬的。
      7）只要采用耐腐蝕金屬材料或里襯耐腐蝕的非金屬材料（如石墨）作浮動環(huán)，可以用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的密封。
      8）因密封間隙中是液膜，所以摩擦功率極小，在、使機(jī)器有較高的效率。
      浮環(huán)密封的缺點(diǎn)：密封件的制造精度要求高，環(huán)的不同心度和端面的不垂直度和表面不粗糙度對密封性能有明顯的影響。此外，這種密封對液體不能做到封嚴(yán)不漏。對氣體雖然可做到封嚴(yán)，但需要一套復(fù)雜而昂貴的自動化供油系統(tǒng)。
      11.1 浮環(huán)密封機(jī)理
      浮環(huán)密封屬于流阻型非接觸式動密封，是依靠密封間隙內(nèi)的流體阻力效應(yīng)而達(dá)到阻漏目的。由于存在間隙，避免了固體摩擦，適用于高速情況，即可封堵液體，也可封堵氣體，但泄露量較大，某些情況下還須配置比較復(fù)雜的密封輔助系統(tǒng)。
      11.2 浮動環(huán)
      浮環(huán)密封裝置的結(jié)構(gòu)有多種型式，其主要型式有：寬環(huán)和窄環(huán)、光滑環(huán)和開口環(huán)、液膜和干式浮動環(huán)。
      11.2.1寬環(huán)和窄環(huán)
      寬環(huán)的寬度相對其直徑來說較大，其比例l/D=0.4～0.6。這種環(huán)的特點(diǎn)在于工作時(shí)作用在此環(huán)上的流體動力要比窄環(huán)大，并且不需用對正中心的附件。在一定的壓差和泄露量之下，其數(shù)目可以比窄環(huán)少些，這樣，密封裝置的結(jié)構(gòu)可以簡化，并便于裝拆和檢修。
      寬環(huán)的缺點(diǎn)在于環(huán)的兩側(cè)會有較大的壓差，這樣，作用在環(huán)端面上的壓力也就較大，在自由浮動時(shí)所須克服的端面摩擦力較大，即浮動較為困難。
      窄環(huán)的寬度相對其直徑較小，其比例l/D=0.1～0.2。窄環(huán)與軸的間隙較小，工作時(shí)，間隙中形成的流體動力較小，因此其自動同心的能力較差，大多用橡膠O型圈來幫助對正中心。由于采用這種輔助措施，偏心度較小，停車時(shí)間也較少，這樣，雖然環(huán)窄，泄露量卻不大。
      窄環(huán)也可以不用O形圈定位，而改用彈簧。環(huán)在彈簧力的作用下，壓在隔離環(huán)端面上。當(dāng)密封液的壓力降低時(shí)，環(huán)仍可以保持它的對正中心位置。
      由于作用在每個(gè)窄環(huán)上的壓力差比寬環(huán)小，所以環(huán)作用在隔離環(huán)端面上的壓力也就小，即窄環(huán)容易浮動。
      11.2.2 光滑環(huán)和開口環(huán)
      光滑環(huán)的內(nèi)孔是光滑的；開槽環(huán)的內(nèi)孔全長開槽或部分開槽。由于光滑環(huán)與軸表面的間隙中水力摩擦較小，使用中回出現(xiàn)較大的泄露量。開槽環(huán)的內(nèi)孔加工有許多道環(huán)形槽，與軸的間隙中水力摩擦較大，在同樣的壓差和同樣的寬度下，泄露量要比光滑環(huán)小，特別是在高轉(zhuǎn)速下可以作到完全不漏，液膜形成也很穩(wěn)定，能有效的起到密封作用。所以，對于高速轉(zhuǎn)軸，開槽環(huán)比光滑環(huán)好，如將光滑浮環(huán)密封與機(jī)械密封作比較，在低速時(shí)機(jī)械密封的泄露量少些，高速下則光滑環(huán)少些，因此，高速轉(zhuǎn)動密封宜用光滑環(huán)。但是，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率太高時(shí)，由于密封油的粘性阻滯作用，密封油會發(fā)熱。為了散熱，常常有意保持一定的泄露量。而泄露量除與環(huán)的形式有關(guān)外，還與運(yùn)動速度、油的特性、入口油溫和大氣溫度等有關(guān)。
      11.2.3 液膜和干式浮動環(huán)
      浮動密封既可密封液體，也可密封氣體。用以阻止液體泄露的稱為液膜浮環(huán)密封；用于阻止氣體泄露的稱為干式浮環(huán)密封，因?yàn)楦…h(huán)通常石墨等固體自潤滑材料制造，故又稱石墨浮環(huán)密封。
      石墨浮環(huán)密封：波形片彈簧的彈力及氣體壓力使各浮動環(huán)的一個(gè)端面分別與各隔離環(huán)的一個(gè)端面緊密貼合，組阻止氣體沿徑向泄露，并靠端面的摩擦力防止環(huán)轉(zhuǎn)動通過浮動環(huán)密封沿軸向漏出的少量氣體由排漏空排出，或引至主機(jī)的氣體進(jìn)口。石墨浮環(huán)密封的工作間隙不是定值，而是隨摩擦發(fā)熱狀況而自行調(diào)整，故有“熱自調(diào)間隙密封”之稱。
      石墨既耐腐蝕又耐熱，但它太脆，在徑向載荷作用下易斷裂。在離心壓氣機(jī)中，采用了石墨作浮環(huán)，為了防止斷裂，常在石墨環(huán)的外周鑲有金屬環(huán)。石墨環(huán)用冷縮方法套用金屬環(huán)內(nèi)，然后再加工石墨環(huán)的內(nèi)孔，使之達(dá)到規(guī)定的尺寸。當(dāng)軸封的溫度上升時(shí)，如鑲環(huán)與軸的材料相同或相似，他們的膨脹量就會相同或相差不大。而不致影響密封性能。這種結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于溫度高達(dá)400℃的氣體密封。

十二、迷宮密封

     迷宮密封是在轉(zhuǎn)軸周圍設(shè)若干個(gè)依次排列的環(huán)行密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質(zhì)在通過曲折迷宮的間隙時(shí)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)而達(dá)到阻漏的目的。
      由于迷宮密封的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼間存在間隙，無固體接觸，毋須潤滑，并允許有熱膨脹，適應(yīng)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速頻率的場合，這種密封形式被廣泛用于汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的軸端和的級間的密封，其他的動密封的前置密封。
      12.1 迷宮密封的密封機(jī)理
      流體通過迷宮產(chǎn)生阻力并使其流量減少的機(jī)能稱為“迷宮效應(yīng)”。對液體，有流體力學(xué)效應(yīng)，其中包括水力磨阻效應(yīng)、流束收縮效應(yīng)；對氣體，還有熱力學(xué)效應(yīng)，即氣體在迷宮中因壓縮或者膨脹而產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)換；此外，還有“透氣效應(yīng)”等。而迷宮效應(yīng)則是這些效應(yīng)的綜合反應(yīng)，所以說，迷宮密封機(jī)理是很復(fù)雜的。
      12.1.1 摩阻效應(yīng)
      泄露液流在迷宮中流動時(shí)，因液體粘性而產(chǎn)生的摩擦，使流速減慢流量（泄露量）減少。簡單說來，流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構(gòu)成了磨阻效應(yīng)，前者與通道的長度和截面形狀有關(guān)，后者與迷宮的彎曲數(shù)和幾何形狀有關(guān)。一般是：當(dāng)流道長、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力大，壓差損失顯著，泄露量減小。
      12.1.2 流束收縮效應(yīng)
      由于流體通過迷宮縫口，會因慣性的影響而產(chǎn)生收縮，流束的截面減小。設(shè)孔口面積為A，則收縮后的流束最小面積為Cc A，此處 Cc 是收縮系數(shù)。同時(shí)，氣體通過孔口后的速度也有變化，設(shè)在理想狀態(tài)下的流速為u1，實(shí)際流速比u1小，令Cd為速度系數(shù)，則實(shí)際流速u1為u1=Cd u1于是，通過孔口的流量將等于q=CcCdA u1式中Cc·Cd=α（流量系數(shù)）。
      迷宮縫口的流量系數(shù)，與間隙的形狀，齒頂?shù)男螤詈捅诿娴拇植诙扔嘘P(guān)。對非壓縮性流體，還與雷諾數(shù)有關(guān)；對壓縮性流體，還于壓力比和馬赫數(shù)有關(guān)。同時(shí)，對縫口前的流動狀態(tài)也有影響。因此在復(fù)雜型式的迷宮只，不能把一個(gè)縫口的流量系數(shù)當(dāng)作所有縫口的流量系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)，第一級的流量系數(shù)小一些，第二級以后的縫口流量系數(shù)大一些，一般流量系數(shù)常取1。但是尖齒的流量系數(shù)比1小，約在0.7左右，圓齒的流量系數(shù)接近于1，通常取α=1，計(jì)算的泄露量是偏大。
      12.1.3 熱力學(xué)效應(yīng)
      理想的迷宮流道模型，它是由一個(gè)個(gè)環(huán)形齒隙和齒間空腔串聯(lián)而成的。氣體每通過一個(gè)齒隙和齒間空腔的流動可描述如下：在間隙入口處，氣體狀態(tài)為p0，T0和零開始，氣體越接近入口，氣流越是收縮和加速，在間隙最小處的后面不遠(yuǎn)處，氣流獲得最大的速度；當(dāng)進(jìn)入空腔，流速截面突然擴(kuò)大，并在空腔內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋渦。從能量觀點(diǎn)來看，在間隙前后，氣流的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。同時(shí)，當(dāng)溫度下降（熱焓值h減?。瑲怏w以高速進(jìn)入兩齒之間的環(huán)行腔室時(shí)，體積突然膨脹產(chǎn)生劇烈旋渦。渦流摩擦的結(jié)果，使氣流的絕大部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽磺皇抑械臍饬魉斩邷囟?，熱焓又恢?fù)到接近進(jìn)入間隙前的值，只有小部分動能仍以余速進(jìn)入下一個(gè)間隙，如此逐級重復(fù)上述過程。
      12.1.4 透氣效應(yīng)
      在理想迷宮中，認(rèn)為通過縫口的氣流在膨脹室內(nèi)動能，全部變成熱能。也就是說，假定到下一個(gè)縫口時(shí)的漸近速度等于零，但這只是在膨脹室特別寬闊和特別長時(shí)才成立。在一般直通迷宮中，由于通過縫口后的氣流只能向一側(cè)擴(kuò)散，在膨脹室內(nèi)不能充分的進(jìn)行這種速度能(動能)向熱能的能量轉(zhuǎn)換，而靠光滑壁一側(cè)有一部分氣體速度不減小或者只略微減小，直接越過各個(gè)齒頂流向低壓側(cè)，把這種一掠而過的現(xiàn)象稱為“透氣效應(yīng)”。
      12.2 迷宮密封的結(jié)構(gòu)型式
      迷宮密封按密封齒的結(jié)構(gòu)不同，分為密封片和密封環(huán)兩大類型。
      密封片結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)中與機(jī)殼相碰，密封片能向兩側(cè)彎曲，減少摩擦，且拆換方便。
      密封環(huán)由6～8塊扇形塊組成，裝入機(jī)殼與轉(zhuǎn)軸中，用彈簧片將每塊環(huán)壓緊在機(jī)殼上，彈簧片壓緊力約60～100N，當(dāng)軸與齒環(huán)相碰時(shí)，齒環(huán)自行彈開，避免摩擦。這種結(jié)構(gòu)尺寸較大，加工復(fù)雜，齒磨損后將整塊密封環(huán)調(diào)換，因此應(yīng)用不及密封圈結(jié)構(gòu)廣泛。
      12.3 理想迷宮的泄露計(jì)算
      給定下列幾個(gè)條件：
      1) 泄露氣體是理想氣體，不考慮焦?fàn)?/span>-湯姆遜效應(yīng)，即氣體的焓只與溫度有關(guān)；
      2) 假設(shè)迷宮是連續(xù)的多縫口組成的一個(gè)系列，兩縫口之間的膨脹室足夠大；
      3) 通過縫口的流動作絕熱循環(huán)膨脹，在這里引用一個(gè)流量系數(shù)α；
      4) 通過縫口之后的流動速度能量在膨脹室內(nèi)因受等壓支配而完全作恒溫恢復(fù)，所以在每一個(gè)縫口之前的速度漸近為0，即不發(fā)生透氣現(xiàn)象。
      12.4 直通型迷宮的特性
      由于在軸表面加工溝槽或各種形狀的齒要比孔內(nèi)加工容易，因此常把孔加工成光滑面，與帶槽或帶齒的軸組成迷宮，這就是直通型迷宮，因制作方便，所以直通型迷宮應(yīng)用最廣。但是，直通型迷宮存在著透氣現(xiàn)象，其泄露量大于理想迷宮的泄露量。
      12.4.1 迷宮特性的影響因素：
      1) 齒的影響。根據(jù)國外所進(jìn)行的試驗(yàn)得出：齒距一定時(shí)，齒數(shù)越多，泄露量越少。齒距改變時(shí)，齒距越大，泄露量會急劇下降，同時(shí)還可以減少透氣現(xiàn)象的影響。
      2) 膨脹室的影響。國外對膨脹室深度的影響進(jìn)行過試驗(yàn)研究，結(jié)論是淺的膨脹室對減少泄露量有利。
      根據(jù)對膨脹室流動狀態(tài)的觀察，認(rèn)為淺膨脹室中的旋渦是不穩(wěn)定的。由于旋渦能很快地把能量耗盡，所以膨脹室的漸近速度減小，起到減小泄露的效果。
      3) 副室的影響。所謂“副室”是指直通型迷宮光滑面上開的附屬槽，開槽后迷宮中的流動狀態(tài)立即發(fā)生明顯的變化。試驗(yàn)證明，只要副室的位置恰當(dāng)，泄露量的減少率是相當(dāng)大的。
      12.5 迷宮式氣體密封的間隙
      除特殊情況外，一般氣輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等葉輪機(jī)械都采用迷宮式氣體密封。其徑向間隙應(yīng)根據(jù)以下因素選?。狠S承間隙，制造公差與裝配誤差，部件的變形（如鑄件收縮和失圓），轉(zhuǎn)子的撓度，以及通過臨界旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)的振幅，熱膨脹以及由此引起的變形等。在多種情況下，熱膨脹的影響最突出。因此，對啟動與停車時(shí)單個(gè)部件尺寸的變化，以及部件的相對位移必須預(yù)先估算?？捎渺o態(tài)和動態(tài)有限元算法出隨時(shí)間變化的熱膨脹規(guī)律，由此可了解哪些是臨界條件，間隙實(shí)際上應(yīng)當(dāng)多大尺寸。
      12.5.1 迷宮密封設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)
      總結(jié)迷宮密封設(shè)計(jì)中積累的經(jīng)驗(yàn)，歸納起來有下列要點(diǎn)：
      1）盡量使氣流的動能轉(zhuǎn)化為熱能，而不使余速進(jìn)入下一個(gè)間隙。齒與齒之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，或用高-低齒強(qiáng)制改變氣流方向。齒間距一般為5～9mm。
      2）密封齒要做得盡量薄,并帶銳角。齒尖厚度應(yīng)小于0.5mm，運(yùn)行中偶爾與軸的相碰時(shí)，齒尖先磨損而脫離接觸，不致因摩擦出現(xiàn)軸的局部過熱而造成事故。
      3）由于迷宮密封泄露量大，因此在密封易燃、易爆或有毒氣體時(shí)，要注意防止污染環(huán)境。采用充氣式迷宮密封，間隙內(nèi)引入惰性氣體，其壓力稍大于被密封氣體壓力；如果介質(zhì)不允許混入充氣，則可采用抽氣式迷宮密封。

十三、螺旋密封

螺旋密封應(yīng)用于許多尖端技術(shù)部門，如氣冷堆壓縮機(jī)密封、增殖堆鈉泵密封等。有時(shí)也用于減速機(jī)高速軸密封。它的最大優(yōu)點(diǎn)是密封偶件之間既使有較大的間隙，也能有效的起密封作用。如設(shè)計(jì)合理，其使用壽命可達(dá)無限大。由于可以從材料上作廣泛的選擇，且制造上極其容易，當(dāng)壓差不大時(shí)，螺旋密封功率耗損和發(fā)熱都很小，用冷卻水套散熱已足夠。螺旋密封往往需要輔以停車密封，這樣就使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并加大了尺寸，故常使應(yīng)用受到限制。螺旋密封可用于高溫、深冷、腐蝕和帶有顆粒等的液體，密封條件苛刻，密封效果良好。
      13.1 螺旋密封的密封機(jī)理
      螺旋密封的軸表面開有螺旋槽，而孔為光表面，這同迷宮密封的開槽情況是一致的，所以可以把螺旋密封看成是迷宮密封的一種特殊型式，稱為螺旋迷宮。但是，螺旋迷宮的齒是連續(xù)的，不象前述的各種迷宮的齒是連續(xù)的齒。由于齒的連續(xù)性，通過齒的介質(zhì)的流動狀態(tài)發(fā)生變化。螺旋槽不再作為膨脹室產(chǎn)生旋渦來消耗流動能量，而是作為推進(jìn)裝置與介質(zhì)發(fā)生能量交換，產(chǎn)生所謂的“泵送作用”，并產(chǎn)生泵送壓頭，與被密封介質(zhì)的壓力相平衡，即壓力差p=0，從而阻止泄露。所以在密封機(jī)理上與迷宮密封略有不同。但是，介質(zhì)在通過間隙時(shí)會有一部分越過齒頂留過，而不沿槽向流動，即有透氣效應(yīng)，這和迷宮密封中的情況是一樣的。
      根據(jù)螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋密封的密封機(jī)理又稍有區(qū)別。
      單段螺旋，它利用螺旋桿泵原理，利用螺旋的泵送作用，把沿泄露間隙的介質(zhì)推趕回去，以實(shí)現(xiàn)密封。它適用于密封液體或氣液混合物，無須外加封液，常用于軸承封油。須注意的，螺旋的趕油方向需與油的泄露方向相反，否則，不但不能實(shí)現(xiàn)密封，反而會導(dǎo)致泄露量急劇增加。
      兩段旋向相反的螺旋，將封液擠向中間，形成液封。液封的壓力稍大于或等于被密封介質(zhì)的壓力，即能實(shí)現(xiàn)密封。常用于密封氣體或密封真空。
      兩段旋向相反的螺旋在高旋轉(zhuǎn)頻率下將氣體向兩側(cè)排出，使中間形成高真空陷阱以實(shí)現(xiàn)密封。這種密封可用作真空密封。
      從理論上講，螺旋密封的間隙小則對確保密封越有利。如果間隙大，則液體介質(zhì)不能同時(shí)附著于軸的表面上。假設(shè)液體介質(zhì)僅附著于孔壁而與軸分離，則螺旋密封不起推趕介質(zhì)的作用，即密封失效。但是，間隙太小，又怕軸與孔壁相碰。為避免產(chǎn)生密封金屬偶件的摩擦與，磨損，可在孔壁表面涂上一層石墨。
      13.3 迷宮螺旋密封
      迷宮螺旋密封在工業(yè)上使用還是不久以前的事，它與螺旋密封的不同之處在于：在軸表面車制了螺旋槽，在密封的孔上也車制成螺套，而且具有與軸相反的螺紋旋向，使軸與螺套間的流動形成強(qiáng)烈的紊流。此外，迷宮螺旋密封的螺旋運(yùn)動速度要比螺桿密封的高，它在紊流工況下用于低粘度液體。螺旋密封一般用于層流工況下大粘度液體（如粘度大于水的液體）。
      工作原理：在螺桿與螺套之間的工作空間內(nèi)，液體位于螺套兩齒面和螺桿兩齒面所圍成的若干個(gè)蜂窩狀的空間內(nèi)。螺桿與螺套表面間的縫隙呈帶凹槽的環(huán)形柱面。液體通過這些螺紋時(shí)形成旋渦，方向與流出方向相反。由于螺桿繞流液體的動量交換結(jié)果，螺桿將能量傳給液體。螺旋和螺套與液體相互作用，其結(jié)果在通過螺桿與螺套之間間隙的名義分界面上產(chǎn)生摩擦力。液體中產(chǎn)生的摩擦力就在螺桿與螺套之間產(chǎn)生了壓力。

十四、機(jī)械密封

     14.1 機(jī)械密封的工作原理
      機(jī)械密封又稱端面密封（MechanicalSeal），是旋轉(zhuǎn)軸用動密封。機(jī)械密封性能可靠，泄露量小，使用壽命長，功耗低，毋須經(jīng)常維修，且能適應(yīng)于生產(chǎn)過程自動化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、含固體顆粒介質(zhì)等苛刻工況的餓密封要求。
      機(jī)械密封是靠一對或幾對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持接合并配以輔助密封而達(dá)到的阻漏的軸封裝置。
    機(jī)械密封與軟填料密封比較如下：
      優(yōu)點(diǎn)：
      1）密封可靠，在長期運(yùn)轉(zhuǎn)中密封狀態(tài)很穩(wěn)定，泄露量很小，其泄露約為軟填料密封的1%；
      2）使用壽命長，在油、水介質(zhì)中一般可達(dá)1～2年或更長，在化工介質(zhì)中一般能工作半年以上；
      3）擦功率消耗小，其摩擦功率僅為軟填料密封的10%～50%；
      4）軸或軸套基本上不磨損；
      5）維修周期長，端面磨損后可自動補(bǔ)償，一般情況下不需經(jīng)常性維修；
      6）抗振性好，對旋轉(zhuǎn)軸的振動以及軸對密封腔的偏斜不敏感；
      7）適用范圍廣，機(jī)械密封能用于高溫、低溫、高壓、真空、不同旋轉(zhuǎn)頻率，以及各種腐蝕介質(zhì)和含磨粒介質(zhì)的密封。
      缺點(diǎn)：
      1）較復(fù)雜，對加工要求高；
      2）安裝與更換比較麻煩，要求工人有一定的技術(shù)水平；
      3）發(fā)生偶然性事故時(shí)，處理較困難；
      4）價(jià)高。
      機(jī)械密封前的準(zhǔn)備工作：
      1）檢查機(jī)械密封的型號、規(guī)格是否符合設(shè)計(jì)圖紙的要求，所有零件（特別是密封面、輔助密封圈）有無損傷、變形、裂紋等現(xiàn)象，若有缺陷，必須更換或修復(fù)。
      2）檢查機(jī)械密封各零件的配合尺寸、粗糙度、平行度是否符合設(shè)計(jì)要求。
     3）使用小彈簧機(jī)械密封時(shí)，應(yīng)檢查小彈簧的長短和剛性是否相同。
      4）檢查主機(jī)的竄動量、擺動量和撓度是否符合技術(shù)要求，密封腔是否符合安裝尺寸，密封端蓋與軸是否垂直，一般要求：軸竄動量不大于±0.5mm；軸擺動量（旋轉(zhuǎn)環(huán)密封圈處）不大于0.06mm；軸最大撓度不大于0.05mm；密封端蓋與墊片接觸平面對中心線的不垂直度允許差0.03～0.05mm。
      5）應(yīng)保持清潔，特別是旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)密封面及輔助密封圈表面應(yīng)無雜質(zhì)、灰塵。不允許用不清潔的布擦拭密封面。
      6）允許用工具敲打密封元件，以防止密封件被損壞。
      14. 2 機(jī)械密封材料
      摩擦副材料
      根據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械密封的泄露大約有80%～95%是由于密封端面，摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外，主要是摩擦副的材料問題。
      摩擦材料應(yīng)具備下列條件：
    1）機(jī)械強(qiáng)度高，能耐壓和耐壓力變形；
      2）具有耐干磨性，耐高載荷性，自潤滑性好；
      3）配對材料的磨合性好，無過大的磨損和對偶腐蝕；
      4）耐磨性好，壽命長；
      5）導(dǎo)熱性和散熱性好；
      6）耐高溫性好；
      7）抗熱裂性好；
      8）耐腐蝕性強(qiáng)；
      9）線膨脹系數(shù)小，能耐熱變形和尺寸穩(wěn)定性好；
      10）切削加工性好，成型性能好；
      11）氣密性好；
      12）密度小。