迷宮密封在蒸汽牽伸爐中的應(yīng)用

李 峰，王學(xué)彩，唐有守

(河南永煤碳纖維有限公司，河南 商丘 476000)

蒸汽牽伸爐是制備高質(zhì)量原絲裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，在高溫水蒸氣環(huán)境下，原絲快速穿過蒸汽牽伸爐，受原絲軸向拉伸力作用而增大纖維的取向度，達(dá)到提高原絲質(zhì)量的目的。原絲生產(chǎn)中，絲束穿過爐芯，在該區(qū)域連續(xù)通有一定壓力和溫度的飽和蒸汽，因此，絲束穿過很容易造成高溫蒸汽順絲束通道向外泄漏，從而無法保證蒸汽牽伸爐內(nèi)的溫度和壓力，不利于原絲的高倍牽伸。采取什么密封方法，在不影響正常生產(chǎn)運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)有效的密封是蒸汽牽伸爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從各種密封方法的適用范圍和使用效果來看，迷宮密封性能卓越，其密封裝置簡(jiǎn)便、高效，操作性和維護(hù)性好。迷宮密封用途廣泛，種類繁多，必須根據(jù)密封介質(zhì)的工況環(huán)境進(jìn)行合理的選擇。蒸汽牽伸爐工藝環(huán)境特殊，需要進(jìn)行專門的密封設(shè)計(jì)，防止蒸汽泄漏。因此，蒸牽爐密封設(shè)計(jì)是整個(gè)牽伸爐設(shè)計(jì)的重中之重，其密封性能的差異直接關(guān)系到蒸汽牽伸爐蒸汽的消耗，同時(shí)蒸汽泄漏也會(huì)造成生產(chǎn)及作業(yè)環(huán)境的惡化。

1 迷宮密封的作用機(jī)理

迷宮密封是一種簡(jiǎn)單、高效的密封裝置，最初主要用于汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的軸端和級(jí)間的密封[1-2]，以及動(dòng)密封的前置密封等機(jī)械軸承部件的密封。迷宮密封主要通過構(gòu)造若干個(gè)依次排列的環(huán)行密封齒，在齒與齒之間形成一系列截流間隙和膨脹空腔，介質(zhì)沿一定方向在通過近似迷宮的系列間隙時(shí)產(chǎn)生多次節(jié)流效應(yīng)，發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，達(dá)到對(duì)密封介質(zhì)的阻漏作用。

迷宮對(duì)通過其中的流體產(chǎn)生阻力并使其流量減小的特性稱為“迷宮效應(yīng)”。對(duì)液體，有流體力學(xué)效應(yīng)，包括水力磨阻效應(yīng)和流束收縮效應(yīng)；對(duì)氣體，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)生的能效轉(zhuǎn)換；此外，影響密封性能的還有“透氣效應(yīng)”等。而迷宮效應(yīng)正是各種效應(yīng)的綜合反應(yīng)，要弄清迷宮密封的原理必須先了解上述四種效應(yīng)。

1.1 摩阻效應(yīng)

在液體介質(zhì)軸密封中，泄漏液流在迷宮內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于液體的黏附作用，液體與軸表面的摩擦使流速減慢，流量(泄漏量)減少。簡(jiǎn)言之，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(zhǎng)度和截面形狀有關(guān)，如增大密封面積、改平面為凹凸面等。后者與迷宮的彎曲數(shù)(迷宮腔數(shù))和幾何形狀有關(guān)。通常情況下，流道長(zhǎng)、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力增大，壓差損失顯著，泄漏流量減小。

1.2 流束收縮效應(yīng)

流體通過迷宮孔隙時(shí)，會(huì)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CcA，此處Cc是收縮系數(shù)。同時(shí)，氣流通過孔口后的速度也會(huì)發(fā)生變化，設(shè)在理想狀態(tài)下的流速為u0(實(shí)際流速比u0小)，令Cd為速度系數(shù)，則實(shí)際流速u為u=Cdu0。于是，通過孔口的流量將等于q=CcCdAu0式中Cc·Cd=α(α為流量系數(shù))。

迷宮孔隙的流量系數(shù)，與孔隙的形狀、大小、齒頂?shù)男螤詈捅诿娴拇植诙扔嘘P(guān)。對(duì)非壓縮性流體，還與流體的雷諾數(shù)有關(guān)；對(duì)壓縮性流體，孔隙的流量系數(shù)與氣體膨脹系數(shù)ε有關(guān)，此外，與孔口前的流動(dòng)狀態(tài)也有一定的關(guān)系。而膨脹系數(shù)ε是壓力比p2/p1、絕熱指數(shù)k及孔徑比β的函數(shù)，該值可從相關(guān)手冊(cè)查出[3]。因此，在研究迷宮時(shí)，不能把一個(gè)孔隙的流量系數(shù)當(dāng)作所有孔隙的流量系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)，第一級(jí)的流量系數(shù)較小，第二級(jí)以后的孔隙流量系數(shù)逐漸變大。通常情況下，流量系數(shù)取常數(shù)1。但是尖齒形孔隙的流量系數(shù)比1小，約為0.7，圓齒的流量系數(shù)接近1，通常取α=1。

1.3 熱力學(xué)效應(yīng)

理想的迷宮流道模型，是由一個(gè)個(gè)環(huán)形齒隙和齒間空腔串聯(lián)而成，即迷宮組合。

氣體通過一個(gè)齒隙和齒間空腔的流動(dòng)可描述如下：在孔隙入口處，氣體狀態(tài)為P0、T0，氣體接近入口，氣流受孔隙影響而收縮、加速。在孔隙最小處，氣流獲得最大的速度；當(dāng)進(jìn)入空腔時(shí)，流速截面突然擴(kuò)大，并在空腔內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋渦。從能量變化角度看，在間隙前后，氣流的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，溫度下降(熱焓值Hφ減小)。同時(shí)，氣體以高速進(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(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，被腔室中的氣流吸收而溫度升高，熱焓又恢?fù)到接近進(jìn)入孔隙前的值，只有少部分動(dòng)能仍以余速進(jìn)入下一個(gè)孔隙。如此逐級(jí)重復(fù)上述過程，最終從孔隙泄漏的氣流量趨近于零，如圖1。

圖1 迷宮中氣流壓力的變化

1.4 透氣效應(yīng)

在理想迷宮中，通常認(rèn)為通過縫隙的氣流在膨脹室內(nèi)，氣流自身的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)變成熱能。即假定氣流到下一孔隙處的漸近速度等于零，但這種理想狀態(tài)只有在膨脹室特別寬闊、特別長(zhǎng)(體積無限大)時(shí)才成立。在圖1所示的迷宮中，由于通過縫隙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(dòng)能)向熱能的能量轉(zhuǎn)換，而沿光滑壁一側(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)，通常把這種氣流直穿迷宮的現(xiàn)象稱為 “透氣效應(yīng)”。

2 蒸汽牽伸爐迷宮密封的構(gòu)造

作為碳纖維原絲生產(chǎn)中的重要設(shè)備，蒸汽牽伸爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精密，在原絲絲束高速通過其中時(shí)，被加熱至玻璃化溫度，并進(jìn)行拉伸，提高取向度。為了避免蒸汽泄漏，必須對(duì)蒸牽爐兩端進(jìn)行有效的密封。圖2所示為蒸牽爐迷宮密封結(jié)構(gòu)示意圖，在一根圓筒形管道內(nèi)等距離設(shè)有若干分隔齒，將管內(nèi)空間分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的隔室。隔齒邊緣厚，中間薄，中心開有圓孔，并保證所有圓孔中心位置處于同一條直線。在蒸牽爐兩端的各個(gè)紡位，分別設(shè)置上述迷宮密封裝置，使被牽伸的絲束從迷宮的孔隙中央依次穿過，進(jìn)入蒸汽牽伸室；經(jīng)過牽伸后的絲束再依次從內(nèi)向外，經(jīng)過層層迷宮后引出蒸牽爐。

蒸牽爐中部通有高溫飽和水蒸氣，受兩端的迷宮阻隔，從內(nèi)向外依次經(jīng)過迷宮的齒間孔隙，發(fā)生多次節(jié)流作用，使最終出口處蒸汽壓力趨近于零。在孔隙前后，蒸汽的壓力能轉(zhuǎn)化成孔隙內(nèi)蒸汽的動(dòng)能，進(jìn)入腔室后，蒸汽體積膨脹，使孔隙內(nèi)蒸汽的絕大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，被腔室中的氣體吸收而溫度升高。從而使大量的蒸汽被隔在孔外，只有少量氣體穿過孔隙，壓力能經(jīng)過動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，腔室內(nèi)氣體的壓力顯著降低。經(jīng)過下一孔隙和腔室時(shí)蒸汽壓力進(jìn)一步降低，依此類推，逐級(jí)遞減。

圖2 迷宮密封結(jié)構(gòu)示意圖

原絲經(jīng)過具有良好同軸度的孔隙時(shí)，大量的水蒸氣在迷宮節(jié)流作用下，被阻隔在迷宮入口處，只有少量的蒸汽從出口泄漏出去。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際效果來看，迷宮密封裝置大大減少了蒸汽牽伸爐的蒸汽消耗，在爐的兩端只有極少量的蒸汽泄漏。

3 影響迷宮密封性能的因素

迷宮密封的影響因素很多，主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 迷宮密封的長(zhǎng)度

迷宮密封各腔室的壓力是逐級(jí)遞減的，在成本及設(shè)計(jì)允許的條件下，齒距一定時(shí)，齒數(shù)越多，泄露量越少。但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，在介質(zhì)壓力已經(jīng)較低時(shí)可輔助其它形式的密封，效果更佳。根據(jù)原絲蒸汽牽伸爐兩端的密封情況，可配合采用壓縮空氣進(jìn)行端面密封，避免蒸汽外漏，其壓力只需略高于出口處蒸汽壓力即可。

3.2 齒間孔隙的大小

迷宮密封主要是利用齒間孔隙的節(jié)流作用達(dá)到阻礙蒸汽等介質(zhì)流動(dòng)的目的。其節(jié)流效果的好壞與齒間孔隙的大小密切相關(guān)，孔隙越小，節(jié)流作用越顯著，孔隙后的腔室壓力下降越低，從而密封效果越好。而且當(dāng)孔隙減小到一定程度后，隨孔隙的繼續(xù)減小，相對(duì)泄漏量下降更快[4]。

3.3 進(jìn)、 出口壓力比

迷宮密封的泄漏量與迷宮的進(jìn)出口壓力比緊密相關(guān)，在李志剛等[5]的研究中，同等條件下，迷宮的泄漏量與壓比呈近似線性遞增的關(guān)系。表明進(jìn)、出口壓比提高，泄漏量增加。

3.4 其它因素

根據(jù)國(guó)外所進(jìn)行的同類試驗(yàn)得出：齒距的改變也會(huì)影響迷宮的密封效果，齒距增大時(shí)，泄漏量下降顯著，同時(shí)還可以減少透氣現(xiàn)象。

齒尖的厚度對(duì)密封效果也有較大的影響，通常齒尖厚度應(yīng)小于0.5 mm，齒尖越厚泄漏量越大。

4 蒸汽牽伸爐迷宮設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

通過對(duì)迷宮內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的研究，結(jié)合長(zhǎng)期的使用經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為蒸牽爐迷宮密封的設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)盡量使氣流的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，避免氣流以一定的余速進(jìn)入下一個(gè)間隙。迷宮內(nèi)齒與齒之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，齒間距一般控制在15～20 mm之間為宜。

(2)密封齒要做得盡量薄，齒尖盡可能帶銳角。通常，密封齒尖厚度應(yīng)小于0.5 mm，考慮到走絲過程中對(duì)原絲的摩擦和齒尖的強(qiáng)度等因素，密封齒應(yīng)盡量光滑、規(guī)則，孔隙大小一致。避免出現(xiàn)孔隙周緣掛絲或磨絲，造成毛絲或斷絲，影響產(chǎn)品質(zhì)量和蒸牽爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)受走絲過程的影響，蒸牽爐迷宮孔隙不宜太小，否則絲束無法穿過，即使勉強(qiáng)穿過，也會(huì)因摩擦造成斷頭增加?？紫对龃螅詫m密封泄漏量必然增大。為了減少泄漏，可以輔助其它方法，采用充氣式迷宮密封，在迷宮的出口處引入壓縮空氣，阻止蒸汽向外流動(dòng)，其壓力稍大于被密封的蒸汽壓力即可。

蒸汽牽伸爐內(nèi)迷宮密封不同于通常用于氣輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等葉輪機(jī)械上的迷宮式氣體密封。后者密封的間隙與軸承間隙，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有關(guān)，而牽伸爐密封間隙主要考慮原絲絲束截面大小、孔隙的同心同軸度、制造及裝配誤差、部件的熱變形等。選用合適的孔隙大小并配合采用充氣密封方法，是避免蒸汽牽伸爐蒸汽泄漏的重要保證。

5 結(jié) 語

經(jīng)過近40年的探索與發(fā)展，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模。多年的研究發(fā)展歷程表明，發(fā)展我國(guó)自己的碳纖維需要自力更生，開拓創(chuàng)新。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)、完善工藝技術(shù)，研發(fā)、創(chuàng)新關(guān)鍵設(shè)備，進(jìn)一步加速我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)向高性能、高產(chǎn)量、低消耗方向發(fā)展，是每一個(gè)碳纖維研究人員和生產(chǎn)者肩負(fù)的重要任務(wù)。

[1] 聞邦椿，武新華，丁千，等．故障旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性動(dòng)力學(xué)的理論與試驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2004．

[2] 沈慶根．化工機(jī)械故障診斷技術(shù)[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，1993．

[3] 上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所,GB2624.4-2006-T，用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量[S].中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)匯編.北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006:12-13.

[4] GAMAL A J M，VANCE J M.Labyrinth seal leakage tests：tooth profile，tooth thickness，and eccentricity effects [J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008,130 (1)：1011.

[5] 李志剛．迷宮密封泄漏特性影響因素的研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(3):16-18.