（化工过程机械专业论文）釜用干气密封的研究.pdf

摘要 干气密封作为一种新型的密封，与其它密封相比具有低功耗、长寿命等优点， 目前在透平压缩机上已取得广泛的应用。但是将干气密封应用在反应釜等低速旋 转机器上时，存在开启困难以及轴向窜动较大等问题。因此，研究低速低压工况 下干气密封的性能，优化密封端面的槽形，具有重要意义。 本文利用c f d 分析软件f l u e n t ，建立了干气密封端面流场的三维数学模型 进行数值模拟研究，获得了干气密封端面压力分布情况。据图形显示：气膜压力 从外径向内径逐渐减小，但由于螺旋槽的作用，密封端面间的压力在槽区没有多 大的变化，从压力云图可以看出，即使在较低转速下干气密封仍存在一定的动压 效应。 计算了不同工况以及不同气膜厚度下干气密封的密封特性，结果表明在高转 速以及低压差的情况下有利于动压效应的产生；气膜厚度的变化对密封性能也有 较大的影响，气膜越薄，越有利于动压效应的产生。通过分析单个参数变化时密 封性能的变化情况，得出了各个参数独立变化对密封性能的影响，给出了密封端 面几何参数优化值的范围。通过正交化分析方法，分析了多参数综合作用对密封 性能的影响情况，得出了各个端面几何参数对密封性能影响的强弱程度。 通过自定义函数，将滑移边界条件引入c f d 计算中，比较了滑移流动和无滑 移流动两种状况下的密封性能，结果表明，滑移流动对密封的泄漏量有较大影响， 对开启力影响较弱。 关键词：干气密封c f d 压力分布参数优化滑移流动 a bs t r a c t a san e ws e a l ，d r yg a ss e a l sc a l la c h i e v el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o n gl i f e c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p es e a l s n o wt h ed r y g a ss e a l sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n h i g hs p e e dt u r b oc o m p r e s s o r s ，h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o nw i t hd r yg a ss e a l so nm i x e r a n da g i t a t o rh a ss o m ed i f f i c u l t i e ss u c ha sh a r dt oo p e na n dl a r g ea m o u n to ft h es h a f t n m o u t t h e r e f o r ei t sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y s i st h es e a l i n gp e r f o r m a n c ei nl o ws p e e d a n dl o wp r e s s u r ec o n d i t i o na n do p t i m i z e st h eg r o o v e si nt h es e a lf a c e t h ec f ds o f t w a r ef l u e n tw a su s e dt os i m u l a t et h eg a sf l o wb e t w e e nt h es e a l f a c e s t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e da n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg a sf i l m p r e s s u r ew a sd e c r e a s e df r o mo u t s i d ed i a m e t e rt oi n s i d ed i a m e t e r , b u tt h ep r e s s u r ei n t h eg r o o v ea r e a sd i dn o tc h a n g eal o tb e c a u s eo ft h ee f f e c to ft h es p i r a lg r o o v e t h e c o n t o u r so fp r e s s u r es h o w e dt h a tt h ed r yg a ss e a ls t i l lh a ss o m ed y n a m i ce f f e c ti nl o w s p e e da n dl o wp r e s s u r ec o n d i t i o n t h es e a l i n gp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tf i l m t h i c k n e s sw a sc a l c u l a t e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a th i g hs p e e da n dl o wp r e s s u r ew e r e c o n d u c i v et ot h ee m e r g e n c eo fd y n a m i ce f f e c t ，c h a n g e si nt h et h i c k n e s so ft h ef i l m h a dag r e a ti m p a c to nt h es e a l i n gp e r f o r m a n c e ，t h ef i l mt h i n n e r , t h eb e n e ri ti sf o r d y n a m i ce f f e c tp r o d u c e d w h e nt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ff a c e so fd r yg a ss e a l s a r ec h a n g e da l o n e ，t h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo fd r yg a ss e a lw e r ea n a l y z e d ，w i t hw h i c h ag e n e r a lr u l ef o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sw a sp r e s e n t e d t h e o r t h o g o n a la n a l y s i sm e t h o dw a si n t r o d u c e dt oa n a l y z et h es e a l i n gp e r f o r m a n c ei nt h e i m p a c to fm u l t i - p a r a m e t e r s b yt h eu d f , t h es l i pb o u n d a r yw a si n t r o d u c e dt ot h es i m u l a t i o no ft h ed r yg a s s e a l s t h es e a l i n gp e r f o r m a n c eb o t hi ns l i pb o u n d a r ya n dn o n s l i pb o u n d a r yw a s c o m p a r e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es l i pb o u n d a r yh a dag r e a te f f e c ti nt h el e a k a g e b u tm u c hw e a k e ro nt h eo p e nf o r c e k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，c f d ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，p a r a m e t e r so p t i m i z e ， s l i pf l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：汤臣拳“ 签字日期： 2 阳7 年j 月2 争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；勿臣奉乜 导师签名： 签字日期：z 矿d 7 年f 月2 中日 孑3 、 夕v 签字日期：加哕年月节日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 干气密封的发展 第一章绪论 随着石油、石化行业的发展，人们对转动设备的要求越来越高，希望转动设 备能够长期稳定运行，同时由于现代工业生产对环保和可持续发展的日益重视， 对密封的性能要求也越来越高，密封性能要求向着微泄漏、长寿命、高可靠性方 向发展。干气密封作为一种新型密封技术，它属于非接触式机械密封，它与普通 机械密封的不同是在密封端面上加工微米量级浅槽并以气体作为润滑剂，实现了 端面的非接触。这种密封与普通机械密封或者油润滑动压型机械密封相比具有无 与伦比的优越性：低功率消耗，无磨损运行，无油气污染，不要求密封油系统 和无p v 值的限制，从而显著减少了系统运行和维护费用。 干气密封( 气体润滑密封) 的概念是2 0 世纪6 0 年代末在气体润滑轴承的基础 上发展起来的新型非接触式密封装置。第一个干气密封的专利1 9 6 8 年在英国出 现，1 9 7 6 年首次工业应用【l 】，1 9 8 3 年开始推广应用。最初的干气密封是开发作 为透平压缩机、膨胀机的密封，这种新型的密封方式去除了压缩机密封中复杂笨 重的油封系统，节约了运行成本，现在非接触气体润滑密封已经是工业透平压缩 机的一种标准密封形式。这种密封的研制大体经过了5 个阶段：1 9 7 1 年，完成 压力变形控制；1 9 7 5 年，研究刚性密封环与柔性密封环组合关系；1 9 7 6 年，密 封动力学与气膜刚度分析；1 9 7 7 年完成密封气膜热平衡研究；1 9 7 9 年，研究自 动调节机构；1 9 8 2 年，柔性密封面概念建立；1 9 8 5 年，研究自动对中机构。 2 0 世纪9 0 年代国外开始在中低速旋转机械如离心泵、搅拌釜中采用干气密 封，国内最近几年才开始使用，目前其应用还处在初级阶段【2 1 。 1 2 干气密封的基本结构和工作原理 1 2 1 干气密封的基本结构 干气密封的结构如图1 1 所示。它主要由加载弹簧、0 形圈、静环以及动环组 成。静环和加载弹簧被安装在静环座中，并依靠0 形圈进行二次密封。静环一般 用较软的、有自润滑作用的材料如石墨制造，在弹簧等载荷的作用下，可沿轴向 自由移动。动环依靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。动环一般由硬度高、刚性 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 好且耐磨的材料如碳化钨、碳化硅制造。 1 功蚪l2 肝j ：3 抨磕i4 静玮腰 s 8 ：oi 耋斟6 皱轴t7 轴奁 图1 - 1 螺旋槽干气密封的结构 f i g l - 1t h ec o n s m l c t i o no ft h es p i r a lg r o o v eg a ss e a l 干气密封设计的特别之处是在动环表面加工出一系列沟槽，深度一般为 2 5 - 1 0um 。其中螺旋槽为最常采用的槽形，其形状如图1 2 所示，数学上可用下 面方程加以描述【3 1 。 ，= r s e 咖= p 蚓 ( 1 1 ) 式中厂口起始半径，m m ； 口角度坐标； 螺旋角。 气忙赣峨入 蜒川 矗盆j 盖刊l i 二心o - 、 一图1 2 螺旋槽的形状 f i g1 - 2t h es h a p eo ft h es p i r a lg r o o v e 1 2 2 干气密封的工作原理 在基础设计中，干气密封类似于传统的平衡型机械密封，它包括一个由弹簧 加载的补偿环和一个非补偿环，当一个被设计成静止时，另一个则随轴旋转，补 偿环( 静环) 和非补偿环( 动环) 的设计是不同的。动环和静环利用o 型圈将腔 体和轴分别密封起来。与普通的机械密封不同是，干气密封中动环与静环的端面 较宽，而且密封面的结构也不同，在气体润滑密封的端面通常加工一些浅槽以获 天津大学硕士学位论文第一章绪论 得动压效应。在密封端面上，将密封面分为槽区和坝区两个部分，坝区起到密封 的作用，限制气体向低压侧泄漏；槽区则产生非接触运转时所需要的动压开启力。 当动环高速旋转时，动环或是静环表面的动压槽将外侧处高压气体向下泵入密封 端面，气体由外径向中心流动，而密封坝起着一个节流的作用，于是气体被压缩 压力升高，在槽根处形成一个高压区，如图1 - 2 所示。密封端面的气膜压力形成 开启力，在密封稳定运行时，该开启力与作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力 形成的闭合力平衡，从而达到密封的非接触无磨损运行。密封端面间形成的气膜 厚度很薄，通常是微米级，该气膜具有一定的承载能力。图1 3 为正常运转下密 封的闭合力与开启力的稳定工况。 f c f c2f of o 目目 鬻搦 瞄 j 喙 弹簧力+ 气俸营压力正常运转。瞰力分布 图1 3 正常情况 f i g1 - 3t h en o r m a lc o n d i t i o n 如果出现某些扰动因素使密封间隙减小，此时由动压槽产生的气膜压力将增 大，引起开启力增大，而闭合力不变，密封间隙将增大，直至达到一个新的平衡。 如图卜4 所示，为密封间隙变小的情况。反之，如果出现某些因素使密封间隙增 大，此时螺旋槽产生的气膜压力将减小，密封很快再次恢复平衡。如图1 - 5 所示。 于气密封这种抵抗气密间隙变化的能力称之为气膜刚度，在干气密封设计中要求 密封具有较高的正流体膜刚度以保证气体润滑密封在非接触运行工况下稳定的 密封特性。 f cf c f of o 闩康癣士气j l 压力分布 图l - 4 间隙减小情况 f i g1 - 4t h ed e c r e a s eo ft h eg a p 磷 舭 天津大学硕士学位论文第一章绪论 营圄囫 弹簧力+ 气体i 压力 舟i j l 大气- i 压) 口目啼 1 3 干气密封的槽型 图1 5 间隙增大情况 f i g1 - 5t h ei n c r e a s eo f t h eg a p 肼 服 一i 螺旋槽直线槽 园孤槽 图l - 6 单向槽 f i g1 - 6t h eu n i d i r e c t i o n a lg r o o v e s u 型懵博型槽t 型稽 图1 7 双向槽 f i g1 - 7t h eb i - d h e c t i o n a lg r o o v e s 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在单向槽中，螺旋槽由于其良好的流体动压效应，能在很小的气膜间隙下产 生比较高的气膜刚度，是目前工业应用最广泛的槽型。自1 9 7 6 年作为首例的螺 旋槽干气密封成功应用于天然气管道压缩机至今，全世界已有数千台大型高速工 业透平压缩机采用了螺旋槽干气密封，它们被广泛应用于石油天然气、化工和制 药等重要工业部门。单向槽只能单向旋转，而双向槽是可以双向旋转，由于不受 旋向限制，其使用安装更为方便，从而避免了由于反向旋转引起的密封失效。但 从产生的动压效应来看，双向槽相对较弱，这在一定程度上也限制了其应用。 另外，为了将干气密封应用在其它场合，最大限度了利用其产生的动压效应 以及专利使用的问题，人们也开发了各种异形槽。其中包括三维槽【5 】，八字型双 列螺旋槽【6 】，带微观润滑腔的螺旋槽【7 】，如图1 8 所示。 一一一、 、 图1 8 各种异形槽 f i g1 - 8t h eo t h e rd i f f e r e n tg r o o v e s 其中，三维螺旋槽的特点是构成一个螺旋槽的左右两个侧壁的螺旋线的螺旋 角不同，由它们组成的螺旋槽具有上游即高压侧更宽、下游即低压侧更窄的收敛 外形；并且螺旋槽的深度可以从上游侧到下游侧逐渐变浅。与普通等深、等螺旋 角的二维螺旋槽密封相比，在相同条件下其流体膜的厚度或刚度更大，可靠性更 高。 八字形双列螺旋槽的特点是：它在密封端面上设置两列螺旋槽，一列位于高 压侧，即上游；另一列位于低压侧，即下游。两列螺旋槽的螺旋角方向相反，位 于上游的螺旋槽的径向高度大于位于下游的螺旋槽的径向高度。在两列螺旋槽之 天津大学硕士学位论文第一章绪论 间及下游螺旋槽的内侧还分别有一平面环带，起节流和密封的作用。在给定旋向 下，位于上游的螺旋槽将密封流体向下游泵送，而位于下游的螺旋槽将密封流体 向上游泵送；两列螺旋槽总的效果是将密封流体从上游向下游泵送，从而形成足 够厚度和刚度的稳定气膜。 带微观润滑腔螺旋槽的特点是：在动环或静环的端面上同时开设微观润滑腔 和宏观螺旋槽。通过螺旋槽来产生泵送效应和流体动压效应，通过润滑腔来加强 这种流体动压效应，从而使这种槽形的密封在流体动压效应和泵送效应上更为显 著，更有利于在各种工况下开启，使密封能够稳定运行。 1 4 干气密封的理论研究状况 1 4 1 国外研究状况 螺旋槽干气密封的理论源于螺旋槽气体轴承理论。螺旋槽气体轴承理论始于 上世纪二十年代，1 9 2 5 年，德国的l g u m b e l 首次提出开有螺旋槽的平面与另一 光滑平面构成气体润滑推力轴承的设想。1 9 5 1 年，w h i p p l e 8 】针对不可压缩的润 滑剂且螺旋槽的螺旋角为常数的情况提出了窄槽理论。其理论假设为：1 槽数无 限多；2 垂直于槽台交界面处润滑介质的流动是连续的；3 槽台区内润滑介质的 密度不变。基于上述假设，w h i p p l e 建立了控制润滑介质压力分布的微分方程， 研究了无限长平板沿运动方向等间距排列的平面平行槽与平板间的流体流动，并 通过假设平面平行槽中的压力为线性分布，根据边界条件、连续性条件和周期性 条件，得到了压力分布的表达式。从此，螺旋槽止推轴承引起了很多人的兴趣， 各自都取得了一定的研究成果。1 9 6 7 年，m u i j d e r m a n 9 】在w h i p p l e 模型的基础上， 采用复变函数保角变换理论将螺旋槽模型转化为平面直线槽模型，并重点考虑了 边缘效应，提出了较完整的螺旋槽轴承理论。随后的螺旋槽密封近似解析方法基 本都源于m u i j d e r m a n 的螺旋槽轴承理论。1 9 6 8 年，h s c h e n g t 加j 等学者对介质 为可压缩流体的端面密封的压力形成和静态稳定性进行了讨论，阐述了端面间所 存在的流体动压效应。列举了台阶型、供油孔型、螺旋槽型和雷列台阶型几种非 接触端面机械密封的设计资料，还分析了密封环变形和追随性的问题。1 9 7 0 年， g a r d n e r i 将螺旋槽近似解析理论直接用于密封研究，对于弯曲且开有螺旋槽端 面机械密封的性能进行了研究。1 9 7 9 年r a l p hp g a b r i e l t l 2 l 发表了螺旋槽气体润 滑机械密封的重要文献“f u n d a m e n t a l so fs p i r a lg r o o v en o n c o n t a c t i n gf a c e s e a l s ”，它总结了螺旋槽气体润滑机械密封发展到当时的典型结构，解释了密封 操作的基本原理，阐述了操作条件和设计参数对密封性能的影响。该文献后来被 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 作为经典文献于1 9 9 4 年重新发表。1 9 8 4 年，s h a p i r 0 1 1 3 等在m u i j d e r m a n 方法的 基础上，考虑了惯性力的影响，研究了用于高速液氧透平泵的螺旋槽机械密封。 w a n gy u m i n g ，w a n gj i a r d i 1 4 】等对油膜润滑的螺旋槽端面密封采用m u i j d e r m a n 方 法进行了理论分析，并对设计给出了指导，将其成功应用在高速透平压缩机上。 由于m u i j d e m a n 的螺旋槽轴承理论在推导的时候做了各种假设，与实际情况 有一定的出入，随着计算机技术的发展，人们开始利用数值模拟方法来分析气体 润滑密封的性能。其中，有限差分法( f d m ) 和有限元法( f e m ) 被广泛的用 于干气密封的数值分析和设计计算中。 j a m s t b 】等最先采用f d m 求解螺旋槽气体止推轴承润滑方程，他们采用坐标 变换法解决了螺旋槽曲线边界条件在采用f d m 所遇到的困难。z u k t l 6 】等采用 f d m 求解了模拟螺旋槽机械密封的直线平行槽模型的流场和压力场。s m a l l e y l l 7 1 在窄槽理论的基础上，采用f d m 求解雷诺方程，计算了平面、球面和圆锥面槽 型气体轴承的承载能力、功率损耗、泄漏量和刚度系数。m u r a t a l l 8 , 1 9 】等利用势流 理论，建立了螺旋槽轴承的二维模型，采用f d m 计算了速度场和压力场。 w a l o w i t 2 0 】等采用f d m 计算了端面中间开有矩形浅槽的机械密封性能。i k e u c h i 2 等采用f d m 计算了圆周泵送槽与瑞利台阶组合的机械密封性能。l i p s c h i t z 2 2 等 采用f d m 计算了径向直线槽双向旋转气体推力轴承的性能。k o w a l s k i 2 3 】采用 f d m 计算设计了能反转的螺旋槽气体机械密封。 f d m 的实质就是将由物理模型建立的微分方程及其相应的边界条件，通过 离散化建立相应的差分方程组来代替，求得的是近似数值解。f d m 比较简单， 但是遇到几何形状复杂的研究对象时，求解精度往往受到限制，甚至无法获得稳 定解【2 4 1 。同时由于干气密封膜厚不连续性的特点，使得螺旋槽边界上必须使用“跳 跃”假设，而使用该假设时，需要在螺旋槽边界形状发生变化时不断对源程序进 行修改，这使得编程工作非常麻烦【2 5 】。 变分法是研究泛函极值问题的一种方法，泛函中变量是由函数的选取所确 定，因此泛函是函数的函数。这里对函数的要求是连续的。在实际工程技术问题 中，有时直接对微分方程的边值问题求解非常困难，但是根据变分原理可知，微 分方程的边值问题的解等价于相应泛函极值问题的解，因此将微分方程的边值问 题转化为泛函的变分问题来求解反而容易。泛函一般以积分形式表达，而能量一 般也以积分形式的泛函表达，因此变分方法也可称为能量法。1 9 世纪初，r i t z 提出了直接从求解泛函的极值问题出发，把泛函的极值问题转化为函数的极值问 题，最终以解线性代数方程组求得近似解。这种方法称为变分问题的直接法【2 6 1 。 f e m 是变分问题直接法中一种有效方法，它利用离散化的概念直接对研究 的问题进行离散化处理，省略了f d m 中建立微分方程的中间环节，并在利用变 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分原理时，只要假定求解函数的分段连续就可以了，降低了变分法中函数整体连 续的要求，并把数值解和解析解结合起来。以整体而言，有限元法是数值解；分 段而言，它又是解析解t 2 6 1 。 有限元方程不一定都建立在变分原理的基础上。因为采用直接求解微分方程 近似解首先需要得到其对应的泛函或其变分方程，但并不是对所有的问题都能做 到这一点，在很多情况下很难找到泛函，或者根本不存在泛函。加权余量法提供 了解决这些问题的更一般的途径。 f e m 具有很强的实用性，适应于复杂的几何形状和边界条件。通过利用离 散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，虽然解是近 似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到满意的精度。有限元法的 另一个优点在于引入边界条件的办法简单，边界条件不需要进入单个有限元的方 程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进，所以对内部和边界上的单元都能 采用相同的场变量函数，而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对 编制通用化的程序带来了莫大的简化。 由于有限元法突出的优点以及能够解决有限差分法无法解决的难题，因此应 用越来越广泛。 r e d d i 和c h u 【2 ”首次将f e m 用于气体润滑螺旋槽密封和轴承的计算上，他 们采用f e m 中的伽辽金递增变化法研究了低速气体螺旋槽轴承的稳态性能。 b a s u t 2 8 分别采用f d m 和f e m 计算了径向槽气体润滑密封的性能。s a t o m i 和 l i n t 2 9 】采用f e m 研究了低速激光扫描仪上的气体螺旋槽止推轴承。b o n n e a u t 3 0 1 等 采用直接伽辽金法分析了中低速螺旋槽气体润滑密封的二维稳态性能。 h e m a n d e z 和b o u d e t t 3 1 】采用直接伽辽金法并结合对槽台区域的特殊离散化程序， 计算了低速螺旋槽气体润滑密封的开启力、泄漏量和静态力系数。z i r k e l b a c k 和 a n d r e s t 3 2 】采用伽辽金递增变化法计算中低速下螺旋槽气体润滑密封的动态力系 数，发现随着轴向激振数的增加，动态力系数逐渐接近渐近值。 上述无论是有限差分法还是有限元法都是基于r e y n o l d 方程进行求解。雷诺 方程是对n a v i e r - s t o k e s 方程进行一些简化而推导出来的二维方程，雷诺方程推 导过程中采用的一些假设如下【3 3 】： 1 润滑层看成连续介质； 2 润滑层的动力粘度系数与压力无关； 3 润滑中的流动状态是层流； 4 润滑层中的热状态认为是等温的； 5 润滑层的惯性力可忽略不计。 这些假设从某种程度上说是比较合理的，但是毕竟与真实的流体流动有一定 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的差距，在润滑间隙极小或高压高速的工况下这些假设可能不成立。随着现代 c f d 技术的发展，特别是一些c f d 商用软件的成熟，人们开始应用c f d 方法对 气体润滑密封进行理论上的分析。c f d 方法是直接求解流体控制方程即 n a v i e r - s t o k e s 方程，从而能够摆脱r e y n o l d 方程中的一些假设，使求解更为精确 可靠。 使用c f d 的方法对气体润滑密封端面流场求解有如下优点： 1 由于气体润滑密封端面流场是一个三维流场，使用c f d 方法，能够建立三 维模型，求解三维n a v i e r - s t o k e s 方程，并考虑惯性力的影响，使计算更接近真 实情况。 2 可以采用层流或者湍流模型模拟密封端面流场的流动的情况，具体采用哪 种模型，需要根据具体工况条件来确定。 3 n a v i e r - s t o k e s 方程能够与能量方程的联立求解，考虑温度变化的影响。 s h i f e n gw h 和r a yc l a r k t 3 4 】采用c f d 方法，使用层流假设和理想气体模型， 分析了螺旋槽气体润滑密封几何参数对密封性能的影响，同时也比较了螺旋槽刻 在动环或静环上这两种情况流体的动压效应。结果表明，动压槽刻在动环或静环 上对结果影响不大。v l a d i m i rk u d r i a v t s e v t 3 5 】等同样采用c f d 方法，使用商业软 件c f d - a c e + 分析了螺旋槽气体润滑密封的端面流场的流动情况和压力分布，结 果表明在气体润滑密封端面流场中存在强烈的惯性效应。x i a o q i n gz h e n g 3 6 】使用 c f d 方法比较了二维c f d 模型和三维c f d 模型在气体润滑密封参数分析中差 别。 1 4 2 国内研究状况 国内对于气体润滑密封的研究起步比较晚，但随着我国开始气体润滑密封的 自主研究，在这一方面发展很快。王玉明，王科”】等成功研制了“八”字形螺旋 槽端面密封，实现了超高速、零泄漏和微磨损。王美华【3 8 】采用三角形单元，用 f e m 方法计算了人字形槽机械密封端面间的压力场，并随后发表了其热变形及 力变形的计算结果。王建荣、顾永泉【3 9 】等采用f e m 方法计算了圆弧槽气体润滑 密封的特性。蔡文新【4 0 】等采用八节点单元，使用f e m 方法计算了螺旋槽气体润 滑密封的压力分布。彭型4 i 】等也采用八节点单元，使用f e m 方法计算了螺旋槽 气体润滑密封的压力分布，并进行了部分参数优化。胡丹梅【4 2 恫样采用该方法计 算了直线斜槽气体润滑密封的压力分布和密封性能。刘雨川、徐万孚【4 3 删运用 有f e m 方法对几种典型端面结构的气体润滑密封的密封特性进行了定量的比较 分析，并运用f e m 方法研究了气体润滑密封的角向摆动自振稳定性。林培峰【4 5 】 等采用f e m 方法对螺旋槽气体润滑密封气膜间的压力分布进行了分析并开发出 9 天津大学硕士学位论文第一章绪论 了专门的有限元软件，得到了螺旋槽气体润滑密封的气膜压力场，并且讨论了密 封的几何参数和工作参数对压力场的影响。李涛子【删采用有f e m 方法对t 型槽 气体润滑密封稳态特性进行了分析。冯向忠【4 7 1 采用f e m 方法分析了螺旋槽气体 润滑密封几何参数单个变化和两两变化时的气体润滑密封特性。王和顺、陈次昌 4 s 】等采用流体分析软件f l u e n t 对径向直线槽气体润滑密封端面流场进行了数 值模拟，对端面压力分布进行了分析。南小妮、周昆盈【4 9 】等同样采用流场分析软 件f l u e n t ，应用r n gk 一湍流模型与s i m p l e c 算法，对螺旋槽气体润滑 密封的三维流场进行了数值模拟。 1 4 3 低速干气密封的研究状况 随着对干气密封的研究不断的深入，人们逐渐扩大了干气密封的应用范围。 2 0 世纪9 0 年代国外开始在中低转速旋转机械如离心泵、搅拌釜中应用干气密封 技术。由于这类机械设备转速较低，这对于靠动压效应开启的干气密封来说是一 个重大挑战。 由于在低速运转的条件下，干气密封的气膜厚度相对来说较薄，由此引发了 在气体润滑密封中的气体稀薄效应。气体稀薄效应是指当流动特征长度l 与气体 分子平均自由程入的比值( 一般用k n u d s e n 数k n = 入l 表示) 超过0 0 1 时出现的 非连续效应，这时描述介质的质量、动量和能量守恒方程中的剪切应力和热流不 能再用低阶的宏观量( 如速度、温度) 表征，连续介质模型失效。对于干气密封 系统来说，在常温常压下，空气分子的平均自由程入约为0 0 6 5um ，而干气密 封气膜厚度一般在1 5p1 1 1 ，因此有一定的稀薄效应存在，在干气密封的研究中， 应该进一步考虑气体稀薄效应对密封性能的影响。 1 9 5 9 年，b u r g d o r f e r t 删考虑了因空气轴承的径向尺寸缩小引起的气体稀薄效 应，采用m a x w e l l 滑移速度计算公式处理气体边界层与运动固体表面间发生的速 度滑移，对n a v i e r - s t o k e s 方程的边界条件进行修正，推导出了考虑气体稀薄效 应的r e y n o l d 方程。因为他提出的滑移速度模型仅考虑到一阶项，所以b u r g d o r f e r 提出的润滑模型被称为一阶速度滑移润滑模型。1 9 8 3 年，h i s a 和d o m o t o 5 1 】对气 体稀薄效应进行了更为深入的研究，考察了滑移速度中的二阶项影响，提出了二 阶速度滑移润滑模型。1 9 8 5 年，g a n s 从分子运动论中的b o l t z m a r m 方程出发， 通过一定的近似处理，利用矩阵方法推导出了一个适用于任何k n u d s e n 数的润滑 方程。1 9 8 8 ，日本学者f u k u i 和k a n e k o t 5 2 】在g a n s 的工作基础上，从b o l t z m a n n 方程的线性近似模型出发，并考虑了热蠕变流，经过更为严格的推导，得到了一 个适用于任意k n u d s e n 数的广义r e y n o l d s 方程，简称f k 润滑模型，其后被广 泛应用。1 9 9 3 年，m i t s u y a 5 3 】利用非平衡态气体统计力学关于动量输运系数的结 l o 天津大学硕士学位论文第一章绪论 果对二阶速度滑移公式进行了修正，得到了高阶速度滑移润滑模型，其准确度有 了一定的提高，但在高k n u d s e n 数区域与f - k 模型相比，差别仍比较大。1 9 9 5 年，h w a g 5 4 等引入三个可调参数到滑移润滑模型中，对f k 模型进行数值拟合， 得到了一个新的与f k 模型相近的润滑模型，解决了f k 模型计算耗时的问题。 目前，国内外在低速干气密封方面的研究相对较少，g g p e c h t 和 j e n e t z e l t 5 5 1 针对低速的干气密封的设计和应用进行了研究。针对低速干起密 封中开启困难和较大的轴向窜动提出了解决的方法，并做实验进行验证，证明了 干气密封在低速旋转机器中应用的可行性。r u a n t 5 6 】采用f k 润滑模型，针对螺 旋槽气体润滑密封在低速工况下的性能进行了分析。结果表明在低速( 5 0 0 r p m ) 及低压( 0 1 时，间断分子效应即出现，连续介质模型不复正确，要用分子 描述方法。如果l 取为流动的某个总体尺度，k n 不能表征流场细节情况，如果 l 按( 5 1 ) 取为局部的流场梯度的尺度，则k n 为局部k u n d s e n 数，可以表征当地 流场的非连续性程度。 气体分子的“碰撞”对气体平衡态性质和气体由非平衡态过渡到平衡态过程 起重要和关键作用。每个分子在两次碰撞之间自由进行多长的路径和用多长的时 间完全是偶然的，不确定的，但是对大量分子来说，从统计的角度看，每个分子 在单位时间内与其它分子平均碰撞多少次和平均自由行进多少路径是有规律的。 在平衡状态下，由于分子碰撞的随机性，一个分子在连续两次碰撞之间所经过的 直线路程( 即自由程) 长度不尽相同。将各段自由程取平均值，即为平均自由程， 以入表示。 天津大学硕士学位论文 第五章滑移流动的影响 ( 5 3 ) 上式表明，当t 一定时，u 一定，入与p 成反比。 分子与固体边界经过一次碰撞可能并未获得与固体边界状态相对应的动量 与能量。对处于平衡态的气体，这种效应无关重要，这是因为边界和分子具有相 同的平均动量( 都是0 ) ；在非平衡状态下，上述效应就显得重要了。如果气体和 边界之间有相对运动，则它们之间必有能量传递，平均来说，分子经过一次碰撞 不能达到与边界状态相对应的动量，就可以说有“滑移”存在，因此，有滑移流 动时，边界附近的平均速度与壁面速度不同。 根据k n 数的大小，可以将气体流动分为三大领域，如图5 1 所示。由图可 知，当k n 1 0 时， 流动被认为是一种“自由分子 流，连续介质假设不再成立；n - s 方程已不能用 来求解这种流动。而应从分子动力学理论( k i n e t i ct h e o r yo fg a s e s ) 出发进行 研究。当i ( n 处于上述两种情况之间时，可以将流动又细分为滑移流( 0 k n 1 ) 及过渡流( 1 k n 1 0 ) 。对于滑移流，n - s 方程仍可以使用，但要考虑气体的稀 薄效应并作些修正。例如，采用由滑移流的速度边界条件或计算流量采用稀薄系 数修正等。在过渡流里，稀薄效应更大，但n - s 方程的解仍具有一定参考意义。 1 加1 d 一1 d o1 伊21 f ：1 0 01 d 31 0 = 一i卜 连噍f r 砘娃硅一 州珏诹匹l l i t l 舒j蹴b 图5 1 以k n 为依据的流动分区标准 f i g5 - 1t h e f l o w b a s e do n t h e k n 目前，有关气体润滑密封问题的研究绝大多数是假设气体为连续流且忽略稀 薄气体效应，在本文第三章和第四章的计算中，也是采用了n s 方程来描述流体 的流动。但在实际运行的干气密封中，特别是低速低压工况下的干气密封，其气 膜在1 3um ，而空气在常温、标准大气压下入0 0 6 4i jm 。分子平均自由程在 量级上已与气膜厚度相差不大，其流动属于滑移流动区域。本文利用f l u e n t 中自 定义函数功能，重新定义边界条件，将壁面无滑移的边界条件改为壁面滑移边界 条件，来计算考虑滑移流动情况下干气密封的性能，并与无滑移流动情况做比较。 5 2 滑移速度的推导 一般气体动力学提出的在物体表面气体切向速度应与表面速度的切向分量 天津大学硕士学位论文第五章滑移流动的影响 相等的条件( 即无滑移条件) 是不精确的。从气体动力学理论出发可推论出存在一 个滑移速度，其大小与平均自由程成正比，因而在普通条件和一般尺寸下是可以 忽略的。在物体表面处的气体分子一半来自外流，一半从物体表面反射出来，其 宏观速度应是这两部分气体速度的平均值。将气体沿物体表面方向的速度分量标 记为u ，并设u 沿物体表面法线方向y 的变化是已知的，u - - u o , ) 。从来流中运动 到物体表面的分子的平均速度，是它们在最后一次碰撞中得到速度的平均值，也 就是距离表面入处的速度，是近于1 的系数。将未知的靠近表面的气体速度 标记为u s ，则来流分子的平均速度是 ”弘f ，引 设反射的分子中0 部分为漫反射而( 1 - 0 ) 部分为镜面反射， 气体分子的平均速度是( 表面平均速度为零) 盯。+ o 一盯) 甜，+ 弘( 考 。 u 。应该是上两列速度的平均值 甜。= 三 ”，+ 弘( 考 。+ o 一仃 甜，+ 弘( 考 。 由此可以得到滑移速度的表达式 铲等弘 5 3 滑移边界条件的实现 ( 5 - 4 ) 那么反射来的这一半 ( 5 5 ) ( 5 - 6 ) ( 5 - 7 ) 在干气密封端面的气体流动属于c o u e a e 流动和p o i s e u i l l e 流动的叠加，要想 模拟流动的滑移效应可以在壁面边界条件中加入上述推导的滑移速度。在计算中 可以通过f l u e n t 提供的用户自定义函数( u d f ) 实现滑移速度的添加。u d f 是 u s e r - d e f i n e df u n c t i o n 的简称。它是一个在c 语言基础上扩展了f l u e n t 特定功能 后的编程接口。借助u d f ，用户可以使用c 语言编写扩展f l u e n t 的程序代码， 然后动态加载到f l u e n t 环境中，供f l u e n t 使用。 由式5 7 可知，在滑移速度中锄勿之前的系数是一个常数，因而添加滑移 边界条件的关键是构造壁面上速度关于厚度方向的导数，然后将这个速度添加的 壁面边界条件中。在干气密封中，两个壁面是相对旋转的，因此将壁面滑移速度 分解成x 方向和y 方向两个速度，分别添加。滑移速度程序的流程图如图5 2 所 示，具体程序见附录。 天津大学硕士学位论文第五章滑移流动的影响 图5 2 滑移速度添加流程图 f i g5 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es l i ps p e e d 5 4 滑移流对密封性能的影响 5 4 1 计算参数 本文的算例中密封端面的几何参数如表5 1 所示。 表5 1 密封端面几何参数 t a b l e 5 1t h es e a lf a c ep a r a m e t e r s 根据表5 1 所确定的端面几何参数的条件下，通过改变工况参数和膜厚，采 用考虑滑移流和不考虑滑移流的两种计算模型分别对螺旋槽干气密封性能进行 计算，并对二者的计算结果进行比较研究，来研究滑移流对密封性能的影响规律， 由此得出滑移流对密封性能产生明显影响的密封压力和转速的大致范围。 5 4 2 不同密封压力p o 的影响 为了研究不同膜厚h 下的密封压力p o 变化时，滑移流动对密封开启力和泄 5 2 天津大学硕士学位论文第五章滑移流动的影响 漏量的影响，分析了h 分别为1 5ur n ，21 tr l l 和2 51 11 3 3 时，密封开启力和泄漏 量随着密封压力的变化规律，如图5 3 和5 - 4 所示。 由图5 3 可知，考虑滑移流比不考虑滑移流的泄漏量要大。随着压力的增大 和气膜厚度的增加，两种情况下泄漏量均呈增大趋势。滑移流动对开启力的影响 规律与对泄漏量的影响规律不一样。由图5 4 可知，不考虑滑移流动求得的开启 力比考虑滑移流动求得的开启力要大。由图中还可以看出，随着膜厚h 的增加， 两种条件求得的开启力均呈线性减少的趋势。 为了更加直观的看出压力p o 和气膜厚度h 变化时，滑移流动对密封性能的 影响，分别做出在滑移流动的情况下，密封的泄漏量相对无滑移情况下的增量比 及无滑移条件下，开启力相对滑移条件下的增量比，如图5 5 所示。由图可知， 在密封气膜厚为1 5um 情况下，有滑移流动的密封泄漏量要比无滑移流动密封 泄漏量高出4 0 一6 0 ，随着膜厚的增大，由滑移效益产生的密封