（化工过程机械专业论文）低温干气密封装置流固耦合有限元分析.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t b 4 2 学科分类号 53 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 5 4 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 扈中平学号 2 0 0 8 0 0 0 6 5 4 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源其他项目研究方向干气密封 论文题目低温干气密封装置流固耦合有限元分析 关键词干气密封，流固耦合，热变形，有限元 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 6 宰论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 评阅人1张秋翔高工北京化工大学化工过程机械 评阅人2 范德顺教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员会主席钱才富教授北京化工大学化工过程机械 全国锅炉压力容器 答辩委员1陈朝晖高工化工过程机械 标准化委员会 答辩委员2张秋翔高工北京化工大学化工过程机械 答辩委员3范德顺教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员4段成红副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员5 答辩委员6 答辩委员7 答辩委员8 答辩委员9 答辩委员10 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码 中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 低温千气密封装置流固耦合有限元分析 摘要 干气密封从其出现开始便受到极大的关注，以其密封泄漏量低、使用 寿命长等显著优点应用在多种场合中。国内外的学者对干气密封进行了大 量的研究中，主要集中研究干气密封间的气膜在各种结构参数与操作参数 下的密封性能。但是，这些研究都是建立在大量假设的情况下进行的。由 于气膜间的膜厚为微米级的，端面间任何微小的变形都会使膜厚产生变 化，导致密封性能的变化。但是前人在计算时恰恰将密封环假设为刚性环， 将密封环的变形忽略。实际上，密封端面间的气膜压力分布与密封环端面 变形之间属于耦合的关系，两者相互影响，采用流固耦合的分析方法将提 高计算精度，以便更准确的模拟实际工况，指导工程设计。 本文在密封端面间气膜模型的基础上，分析在考虑密封环变形时干气 密封的性能参数变化；将密封环的变形分为热变形与力变形两种情况：对 于力变形，应用m a t l a b 软件编写干气密封流固耦合计算程序，求解耦合 后干气密封的特性参数：研究了背部压力以及背部支撑高度对于密封环变 形的影响，不同压力与转速对密封性能的影响。对于热变形，编写程序计 算密封环内部的温度分布从而得到密封环的热变形。将热变形带入力变形 的流固耦合程序，最终计算出干气密封在同时考虑热变形及力变形时的性 能参数。 另外，通过对不同压力、转速以及温差下的研究，得到了密封环所受 到的应力变化，分析在何种状态下应力过大而导致干气密封的失效。在一 定程度上为干气密封的安全性给出了一个参照。 因为本文针对干气密封结构进行建模，故相同或相似的密封结构都可 以通过此程序来完成，程序具有一定的通用性。 关键词：干气密封，流固耦合，热变形，有限元 f s if i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fd r yg a ss e a l i nl o wt e m p e r a t u r e a b s t r a c t t h ed 巧g a ss e a lh a sb e e np a i dg r e a t l ya t t e n t i o na ss o o na si ta p p e a r e d f o ri t sd i s t i n c ta d v a n t a g ea sl o w e r l e a k a g e ，l o n g e rl i f e t i m e ，i th a sb e e nw i d e l y u s e d t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e so nd 可g a ss e a la th o m ea n da b r o a d ，w h i c h m a i n l ys t u d i e dt h es e a l i n gp e 墒m a n c eo ft h ef i l m i nd i f r e r e n ts t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n ds e a l i n gp a r a m e t e r s t h u s ，t h e ya r eb a s e do nh u g es u p p o s e w r e k n o wt h a tt h ef i l m st h i c k n e s si sm i c r o n s i z e ，a n yt i n yd e f o m a t i o nb e t w e e n t h ee d g ew i l lc h a n g et h ef i l m st h i c l ( i l e s s ，i t w i l la l s o c h a n g e t h es e a l p e r f i o m a n c e p e o p l ea l w a y si g n o r et h ed e f o m a t i o no f t h es e a lr i n g sb e c a u s e t h e ys u p p o s e de a c hs e a lr i n ga sar i g i d n g i nf i a c t ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t h ef i l ma n dt h ed e f i o n l l a t i o na i ec o u p l e da n dt h e yi n n u e n c e de a c ho t h e r ， f s i a n a l y s i sw i l li m p r o v e t h ea c c u r a c ya n dm a k et h es i m u l a t em o r ep r e c i s et ot h e a c t u a lw o r l ( i n gc o n d i t i o n sa n de n g i n e e r i n gd e s i g n o nt h eb a s eo fm o d e lo ft h ef i l mb e t w e e nt h es e a le d g e s ，t h ec h a n g e r e l a t i o n s h i po ft h ep e r f - o n n a n c ep a r a m e t e r so ft h ed 巧g a ss e a lw a sa n a l y z e d w h e nt h es e a lr i n gi sd e f o m i n g t h ed e f o n i l a t i o n so ft h es e a lr i n gc a nb e d i v i d e di n t ot w ol ( i n d s ：h e a td e f o m a t i o na n df o r c ed e f o m a t i o n f o rt h ef o r c e d e f o r m a t i o n ，am a t l a bp r o g r a mw a sc o m p i l e dw h i c hc a nc a l c u l a t e t h e c o u p l i n ge f r e c to fs o l i da n df l u i do fd r yg a ss e a l ，a n dt h e nt h ep e r f o f l n a n c e i i i p a r a m e t e r so fd 拶g a ss e a lw e r eo b t a i n e d t h eh e i g h to fb a c k s u p p o r ta n db a c k p r e s s u r ei n n u e n c eo ns e a l r i n g sd e f o r m a t i o na n dh a sb e e ns t l j d i e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i 疏r e n tp r e s s u r ea n ds p e e dh a sa l s ob e e na n a l y z e d f o r t h eh e a t d e f o m a t i o n ， a p r i o g r 锄 w a sa l s o c o m p i l e d t oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw i t h i nt h es e a l n g s ，t h e nt h eh e a td e f o n n a t i o no ft h e s e a lr i n g sw a so b t a i n e d t l a k i n gt h eh e a td e f o m a t i o ni n t ot h ef l u i d s t m c t u r e i n t e r a c t i o np r o g r a i n ，t h ep e r f o n n a n c e p a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e di nt h ec a s e o f c o n s i d e r i n gb o t hh e a td e f o n n a t i o na n df o r c ed e f o m l a t i o n b e s i d e s ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hi nd i f 诧r e n tp r e s s u r e ，d i f f e r e n tr o t a t i o n a l s p e e da n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n t r a s t ，s t r e s sc h a n g eo ft h es e a lr i n g sc a nb e r e c e i v e d ，i tc a nb e u s e dt oa j l a l y z et h ef a i l u r eo f d 巧g a ss e a l t h a tc a u s e db yt h e u n d u es t r e s s t bac e r t a i ne x t e n t ，t h es a f e t yo f d 秽g a ss e a li sg i v e nar e f e r e n c e t h em o d e li sb a s e do nt h ed 秽g a ss e a ls t m c m r e ，s ot h es a m eo rs i m i l a r s e a ls t l l l c t u r ec a nb ea l s oa c c o m p l i s h e d t h r o u g ht h i sp r o g r a mw h i c hh a sa c e n a i nu n i v e r s a l k e yw o r d s ：d 拶g a ss e a l ，f l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ( f s i ) ，h e a td e f o m a t i o n ， f i n i t ee l e m e n t i v 2 3 1 有限元模型的建立1 8 2 3 2 有限元法求解动、静环变形l9 2 4 算例验证2 5 2 5 本章小结2 6 第三章干气密封气膜压力与密封环变形的流固耦合分析2 7 3 1 工作膜厚的求解2 7 3 2 气膜压力和密封环变形耦合分析3 0 3 2 1 流固耦合分析流程3 0 3 2 2 密封环变形求解与分析3 0 3 2 3 背部压力对变形的影响3 3 v 北京化工大学硕士学位论文 3 2 3 1 背部压力的存在对密封环变形的影响3 3 3 2 3 2 动环背部支撑高度对变形的影响3 5 3 2 4 密封环所受的应力3 8 3 3 压力与转速对耦合效果产生的影响3 9 3 3 1 不同压力与转速下密封特性参数的变化3 9 3 3 2 不同压力与转速下应力的变化4 l 3 4 本章小结4 2 第四章温度分布与热应力4 3 4 1 理论基础4 3 4 1 1 稳念热传导问题的有限元公式推导4 3 4 1 2 热应力问题的有限元解法4 4 4 1 3 主应力的求解。4 5 4 2 热传导问题分析4 6 4 2 1 密封环端面上的温度分布4 6 4 2 2 密封环因温度引起的应力及变形求解4 8 4 3 考虑热变形时的流固耦合分析5 l 4 4 干气密封的试验研究5 2 4 5 本章小结5 4 第五章主要结论与展望5 7 5 1 主要结论5 7 5 2 展望5 8 参考文献5 9 致谢6 2 研究成果及发表的学术论文6 3 作者及导师简介6 4 v i 2 1 r h em a t h e m a t l c a lm o d e l 8 2 1 1t h eg e o m e t r i cp a r 锄e t e r sa n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s 8 2 2t h e a j l a l y s i so f t h eg a sv a l u e s 9 2 2 1d i m e n s i o n l e s ss t e a d y - s t a t ef i l mp r e s s u r ed i 筇砌t i a la n dm eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 9 2 2 2t h e 向n d a t i o no f t h ef i n i t ee l e m e i l tm o d e l 1 l 2 2 3s 0 1 v i n gf o rt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t h e 丘l mb y 丘n i t ee l 锄e n t 。1 2 2 2 4s 0 1 v i n gf o rt h ep e r f i o m l a n c ep a r a m e t e r so f t h es e a l 1 6 2 3t h ea i l a l y s i so f t h es 0 1 i dv a l u e s 。17 2 3 1s o l i df i n i t ee l 锄e i l te q u a t i o no ft h er o t a t i n gn n ga n dm es t a b l er i n g ，a n dt h eb o u i l d a r y c o n d i t i o n s 18 2 3 2t h e 向n d a t i o no f t h e 丘1 1 i t ee l e m e n tm o d e l 19 2 4v c 村f i c a t i o no ff i n i t ee l 锄e 1 1 tc a l c u l a t i n gp r o 黟锄2 5 2 5c h a p t e rs u l 姗a r y 2 6 c h a p t e r 3t h e a n a l y s i so ft h ec o u p l i n go fs o l i da n dn u i d 2 7 3 1s o l v i n gf o rf i l m st h i c k n e s si nm ew o r k i n gc o n d i t i o n 2 7 3 2t h ea n a l y s i so f t h ec o u p l i n go f m ef i l mp r e s s u r ea 1 1 dm es e a lr i n g sd e f o 咖a t i o n 3 0 3 2 1t h e a n a l y s i s ip r o c e s so f t h ec o u p l i n go f s o l i da j l df l u i d 3 0 3 2 2t h e s o l v i n ga n da i l a l y s i n gf o rm e s e a lr i n g sd e f o 珊a t i o n 3 0 v 1 l 北京化工大学硕士学位论文 3 2 31 1 1 ee 虢c t so f b a c kp r e s s u r eo nt h ed e f o m a t l o n 3 3 3 2 3 1t h ee f f e c t so f b a c kp r e s s u r eo nt h ed e f o n i l a t i o n 3 3 3 2 3 2t h ee f r e c t so f t h eh e i 曲to f r o t a t i n gr i n go nm ed e f 0 唧a t i o n 3 5 3 2 4t h es t 】l e s sa 1 1 a l y s i so f t h ec o u p l i n go fs o l i da n dn u i d 3 8 3 3t h ee 髓c t so f t h ep r e s s u r ea n dt h er o t a t i o n a ls p e e do nt h ec o u p l i n g 3 9 3 3 1n l ec h a n g er e l a t i o n s h i po fm ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nd i f f 打e n tp r e s s u r ea n d r o t a t i o n a ls p e e d 3 9 3 3 2t h ec h a i l g er e l a t i o n s h i po fs t r e s si nd i f i 研e i l tp r e s s u r ea i l dr o t a t i o n a ls p e e d 4 1 3 4c h a p t e rs l m l m a r y 4 2 c h a p t e r4i i e m p e r a t u rd i s t r i b u t i o na n dh e a ts t r e s s 4 3 4 1b a s i st h e o r y 4 3 4 1 11 1 1 ed 舒v a t i o nf o rt h ef i i l i t ee l 锄e n tf 0 肌u l ao fs t e a d ys t a t ec o n d u c t i o n 4 3 4 1 2t h ef i n i t ee l 啪e n ts o l u t i o no f h e a ts t r e s s z h 4 1 3s o l v i n gf o rp r i n c i p a ls t r e s s 4 5 4 2t h ea n a l y 甄sf o rh e a tc o n d u c t i o n 4 6 4 2 1t h p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nm es e a lr i n g se d g e 4 6 4 2 2s 0 1 v i n gf o rt h es e a lr i n g ss 缸e s sa n di t sd e f o m a t i o nw h ic _ ha r ec a u s i n gb yt e m p e r a t u r c z 1 8 4 3t h ea n a l y s i sf o rt h ec o u p l i n go fs 0 1 i da n dn u i di nt 1 1 ec a s eo fc o n s i d 舐n gt h eh e a t d e n e c t i o n 5l 4 4e x p e r i m e n t a ls t u d yo f d r yg a ss e a l 5 2 4 5c h a p t e r 双i m m a r y 5 4 c h a p t e r 5m a i nc o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 5 7 5 1m a i nc o n c l u s i o n 。5 7 5 2e x p e c t a t i o n 。5 8 r e f b r e n c e s 5 9 a c k n o w l e d g m e n t 6 2 p a p e r s 6 3 v i i i s u m m a r y o fa u t h o 北京化工大学硕士学位论文 x 符号说明 符号说明 闭合力，n 开启力，n 无量纲开启力 弹簧力n 气膜厚度，岬 无量纲膜厚 接触膜厚，岬 螺旋槽深，岬 最小膜厚，岬 稳态无槽区膜厚，岫 j a c o b i 矩阵 单元信息数组 总刚度矩阵 k n u d e n 数 气膜刚度 n m 无量纲气膜刚度 坝宽比 转速，r m i n 。1 高斯积分点数 螺旋槽数 线性插值的形函数 气体压力。m p a 无量纲气体压力 干气密封出口压力，m p a 推开临界压力，m p a 内压，m p a 无量纲内压 外压，m p a 无量纲外压 泄漏苗m 3 h 。 无量纲泄漏量 流量因子 j 卜径，m m 无量纲半径 动环表面粗糙度，帅 静环表面粗糙度，岬 平衡半径，n l i i l 槽底? 卜径，m m 气体常数 x i 厶五r工日以k，肼k坼岛恐，刀似m p p 肌风肌辟胁r g q g，rk 一一!室些三盔堂堡主堂垡丝奎 n ，d r 孵，彬 a ) ， 4 6 p p s 口 岛 么 f 、瑁 毛i 、m 仃 f 口 西 沙 y ， ， 臼 槽底半径姗 外径咖 工作温度。 推开临界转速r m i n 一1 高斯积分权系数 螺旋角o 槽宽比 k r o n c c k e r 数 气膜无量纲压力的变分 密封端面内外侧压差m p a 余量 角度o 第i 种波形首个周期的初始相位角，。 可压缩数 粘度p a s 自然坐标 高斯积分点 综合偏差 坝宽比 刚漏比 无麓纲刚漏比 摩擦功耗w 无量纲摩擦功耗 动环的绝对角速度r m i n 1 静环的绝对角速度r m i l l 。 解域 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的、意义及主要内容 本课题来源于火箭发动机涡轮泵用高参数密封装置项目的子项目。 干气密封( d wg a ss e a l ) 在工作时两密封环端面被气体推歼，为非接触式密封【，它 是机械密封的一种。干气密封最早起源于二十世纪六十年代，在气体润滑轴承的基础 上发展起来，并广泛应用于实际生产中。螺旋槽式干气密封是其最为典型的形式之一， 因效果相对较好而被广泛采用。螺旋槽干气密封最早是由英国的一家名为j o h i lc r a n e 的公司推出的，而后经过了反复不断的调试与改进，最终于7 0 年代大量投入到工业 生产中。在之后的时间里，干气密封的应用领域不断扩大，技术也逐渐成熟。由于浮 环密封需要相应的密封油系统，其结果远比干气密封复杂。从8 0 年代中期开始，干 气密封逐渐将其取代，成功的应用于国外大型离心压缩机中。随后，越来越多的场合 开始考虑应用干气密封，且取得了良好的效果。并且在高、低温等极端条件下，干气 密封的应用也开始备受关注。 干气密封之所以能够在工业生产领域里被广泛的应用，原因便是其出色的密封性 能。在国外，干气密封的理论研究水平和实际应用技术都已步入了比较成熟的阶段。 由克兰公司研制开发的2 8 系列干气密封是其最为典型的产品。在离心压缩机、汽轮 机和工业泵中，广泛的采用了这种密封。在国内，一些科研机构开始意识到干气密封 在工业上的重要地位，也开始了与其相关的研究工作。其中不同的机构分别研究不同 的方向。例如中国石油大学的研究主要着重于干气密封的密封原理以及设计理论。四 川密封研究所与北京化工大学等研究所主要着重于研究螺旋槽干气密封的密封性能， 并对其结构参数进行了优化设计。不论研究那个方面，这些研究都为干气密封技术在 中国的发展和应用指明了前进的方向【引。 不论是理论研究还是实验工作，国内的不同学者都进行了大量的相关分析与实 践。如蔡文新【3 】等人为了研究螺旋槽气体密封的压力数值，采用了高精度的八结点有 限元法对其进行了分析计算。随后彭建等人在蔡文新的研究基础上进行了参数的优 化；胡丹梅【4 】等学者同样采用有限元方法对螺旋槽气体密封进行了分析，除了对压力 分布进行了相关的模拟计算以外，还对干气密封的性能进行了计算与分析。在工业生 产方面，尽管国内的压缩机制造厂已将干气密封应用于各种工艺的压缩机中，但相对 于发展较早、成果较成熟的国外来说，国内技术发展仍然较为缓慢。 在国内，天津鼎名密封有限公司和四川日机密封件有限公司是两个比较著名的密 封生产商，他们开发研究的部分产品在国内市场上占有一定的比重。但是，受限于技 术以及制造原因，再加上国内发展起步较晚，不论是允许安全使用的最高压力，还是 北京化工大学硕士学位论文 最快的旋转线速度都与国外生产的密封存在着一定的差距【5 6 】。 通常前人研究干气密封只是单独研究气膜部分，并且认为密封环刚性大，忽略了 密封环变形对于气膜膜厚的影响。所以，计算出的结果具有一定的误差。实际上气膜 压力与密封环端面上的变形是相互耦合作用的，即气膜压力增大导致气膜变形量增 大，变形量变大则导致气膜膜厚变大，流体动压效应减弱，继而气膜压力减小，端面 变形量减小。如此反复影响，最终达到一个稳定值时才是干气密封的真实工况。 在实际生产过程中，尤其是在火箭发动机涡轮泵所用的干气密封，工况为低温条 件，密封环在高温差的环境中必然会产生变形。此时密封环的变形有可能很大，甚至 与气膜膜厚在同一数量级上，此时研究密封环与气膜问的流固耦合作用就很有必要。 研究干气密封的流固耦合作用，减少了干气密封研究时限定假设的个数，修j 下了 计算所得的结果。使所得结果更加接近实际工况。同时，研究密封环的应力，可以得 知密封环的工作状态，提前预警是否失效，指导工程设计。 1 2 课题研究背景 1 ) 外环2 ) 静环3 ) 搏簧4 ) 5 ) 8 ) 0 彤环6 ) 转鞠7 ) 缀装囊 图1 1 干气密封结构 f i g 1 1t l l es 仃u c t u r eo f d 秽g a ss e a l 干气密封的结构如图1 1 所示。它的独特之处在于：在密封环的端面上加工出均 匀分布的浅槽，通常槽的深度小于l o p m 、槽的个数为1 2 个，浅槽加工在密封动环或 者静环都可以，因为这并不影响其性能。以应用最广的螺旋槽干气密封为例，当密封 开始工作时，被密封的气体因为密封环的旋转被吸入螺旋槽内。由于密封坝的存在， 气体不能直接从外径高压侧流向内径的低压侧而停留在螺旋槽区内。在螺旋槽的根 部，由于其空间逐渐减小，故气体在其中逐渐被压缩，产生局部高压。压力的产生使 两个密封环有相互分离的趋势，称之为“开启力”。同时在补偿环的背面存在着由弹簧 和被密封介质共同作用产生的闭合力，在开启力与闭合力没有平衡时，密封的工作始 2 第一章绪论 终处于不稳定的状态，气膜不停的调整，直到两个力相等为止。此时密封达到稳定的 状态，气膜为微米级，可以抵抗外界环境对干气密封工作的干扰，保证了密封的平稳 运转【7 8 】。这便是干气密封与众不同的地方。 1 2 1 对干气密封性能的研究 自上世纪8 0 年代起，e t s i o n 1 】对机械密封的发展情况进行了全面的总结与概括， 指出干气密封这种新型的密封技术，需要予以特别的研究与关注。在其后的时间里， 有关干气密封的研究报道大量的涌现出来。 早在1 9 6 6 年，m u i 砸e m l a i l 【1 2 】在前人建立的模型的基础上，通过对螺旋槽止推轴 承的研究，提出了相应的计算理论，虽然理论是用在止推轴承上的，但是这一理论却 为后人研究螺旋槽干气密封提供了有力的理论基础。其后，随着计算机的发展与应用， 对干气密封性能的研究主要是通过计算机软件进行数值计算，运用不同的分析方法分 析干气密封端面的流场及摩擦状况等性能来实现的。其中，令成君、郝木明【6 j 对干气 密封结构和安装特点进行了深入分析，在此基础上，他们为干气密封接触摩擦建立了 一个模型，并通过傅立叶级数对该模型进行分析，从而绘制出该摩擦的运行曲线。为 了验证了模型的正确性，他们将曲线与实际的端面间隙图进行比对，证明了模型与实 际情况相符合，同时又根据模型提出了减小接触摩擦的方法。刘亚莉、戚俊清p j 等人 采用有限元方法，着力研究干气密封在正常工作时端面间流场分析。得到了很多结论， 例如得到了气膜分布情况，以及坝区和槽区内的压力和速度分布情况。同样是进行有 限元分析，李涛子、张秋翔【1 3 】等人则是运用伽辽金法成功的推导出t 型槽干气密封稳 态特性的离散方程。并且根据得到的公式，以v c 6 0 为编程平台，独立自主的研制了 适用于计算干气密封密封性能的程序，将软件计算出的结果与实验数据以及一些经验 数据做了细致的对比，验证了所推导出的方程与编写的软件的正确性，这对于后人在 研究结构和改进结构均具有重要的指导意义。林培峰、张秋翔【1 4 】等人采用同样的理论 与方法，又对螺旋槽干气密封进行了分析，并成功编制出了相应的计算程序。m i l l e r b a 和g r e 锄l 【婚】运用软件对密封螺旋槽进行了动态分析并给出了数值公式。f 撕a 、 m t c 【1 6 】在研究高速螺旋槽的基础上，给出了一种高效的，运用有限元来分析高速螺 旋槽气体端面密封的分析程序。王玉华、姜大任【1 7 】使用立式压缩机为实验机器，分别 研究了螺旋槽干气密及双向槽干气密封的性能，并且对两者进行了细致的比较。丁雪 兴、陈德林【18 】等人从螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程出发，采用p h 线 性化方法和迭代法来求得气膜间的压力和速度分布的近似解析解，得到气体动压分布 和速度分布情况。并且利用多目标优化的方法得到了密封刚漏比的协调函数，通过计 算求出螺旋槽最佳几何参数值。与此同时，丁雪兴还与王悦【i9 】等人采用相同的方法研 究得到了角向涡动气膜刚度函数式。同样得到了气膜涡动刚度的近似解析解。并研究 北京化工大学硕士学位论文 了动态特性随压力、粘度以及转速的变化规律，得到各个状态下的最佳螺旋角度。 c h e n g h s 和c h o w c y 【2 0 】等研究人员对非接触密封面的动、静压效应分别做了相关 分析和研究，并研究工作参数对性能的影响。e v e n s o nr 0 b e r t 和p e t e r s o nr o b e r t 【2 l 】等 人提出传统密封环材料虽然能够最大限度的减小热变形，但是其韧性低，容易脆裂且 不能承受冲击。因此针对这一缺点，寻找了适用于干气密封的新型材料。对于存在静 偏斜、几何尺寸误差以及振动等情况下，稳态分析并不能满足要求，并且在这种情况 下，无法得到解析解，需要用数值的方法来求解【2 2 1 。王和顺、黄泽沛、王新霖【2 3 甜】 应用n s 方程及s i m p l e c 算法，同样得到了干气密封端面流场的特性。通过数值模 拟的方法研究了不同密封端面间隙以及转速值下密封端面的压力分布以及开启力的 变化规律。实验表明，螺旋槽密封环端面的槽台交界处压力情况较为复杂：在气体流 进槽台边界时压力会产生负值，在气体流出槽台边界时压力会升高。而压力产生负值 的地方其气膜开启力和刚度也会减小。 另外，温度对干气密封性能的影响也越来越受到关注。李娜【2 5 】等人考虑到温度对 密封性能的影响，针对合成气压缩机所用的t 型槽干气密封动环，利用a n s y s 软件进 行了分析，得到了动环稳态温度分布以及温度梯度分布，为热变形分析提供了理论依 据。且与秦小蚓2 6 】等人详细研究了工况参数、。材料参数、几何参教等对密封环热变形 的影响，得到了端面热变形和变形锥度受其影响的因此顺序。朱维兵【2 7 】等人建立了无 内部热源的三维稳态柱坐标导热微分方程，同样利用a n s y s 软件针对密封的动环和静 环进行了有限元分析，得到了动环和静环的温度分布规律，验证了干气密封设计的合 理性。南小妮【2 8 】贝0 是采用f l u e n t 流体分析软件对于气密封的气膜流场进行建模，得到 了正确的气膜压力分布，以及密封环的三维温度场，为进一步研究密封环的变形和应 力奠定了基础。 1 2 2 对干气密封的结构研究 对干气密封的结构研究主要是运用软件及计算的方法来分析考察改变密封端面 参数对密封性能的影响效果，所得到的结论对于干气密封的结构改进及设计具有指导 意义。 干气密封的槽型多种多样，但是人们大多集中于研究螺旋槽干气密封，而对t 型 槽干气密封的研究与其相比则只有很少的一部分。刘斌、蔡纪宁【2 9 】等人进行了螺旋槽 干气密封试验，根据实验结果，分析了密封端面参数的变化对特性参数的影响，通过 理论结算与实验模型对比结合的方法，验证了模型数值计算的准确定及可靠性。并且 由实验结果分析了不同参数对密封性能的影响程度。 z i r k e l b a c k 【3 0 】采用了有限元法对密封参数做了细致的研究与分析。得到了每一个 密封参数对密封性能的影响规律。并且通过分析与总结，推荐了几何参数的数值，使 4 第一章绪论 此参数下的干气密封具有较大的气膜刚度的同时还具有较小的泄漏量，这种双赢的结 果对于需要密封的场合来说非常重要。虽然蒋小文、顾伯勤【3 l 】也采用有限元法，对螺 旋槽干气密封进行了模拟分析，得到密封端面间气膜的压力分布规律以及气体的流动 过程。但与其他人的侧重点不同，他们更加深入的研究了干气密封的主要性能参数， 不但研究了操作参数对密封性能的影响，还研究了密封端面几何参数对密封性能的影 响，其研究成果对于指导后人进行干气密封的结构设计有很大帮助。s t a h l e yj s i j 2 j 对 由密封污染产生的失效进行了相关分析，指出了可能导致密封失效的污染源，并深入 的讨论了提高干气密封可靠性的方法。李凤芹、王划3 3 】等科学研究人员通过对螺旋槽 干气密封技术的研究，讨论了螺旋槽干气密封的结构、特点、工作原理以及密封参数， 并对已有的干气密封系统进行了详尽的举例分析。m i l l e r 和g r e e l l 【3 4 j 在2 0 0 0 年时提出 了一种新的算法，即同步求解动力学方程与润滑方程。通过研究指出，密封坝的存在 对于干气密封端面的性能具有很重要的影响。而后g r e e n 与b 锄s b ) ，【”j 研究了干气密 封参数对于密封稳定性的影响，描述了干气密封的两种失稳方式，且求得干气密封在 正常工作情况下的临界转速。 1 2 3 干气密封在具体工作场合的应用 主要是针对干气密封在不同工作场合的具体情况来分析研究其结构特点以及材 料特征等性能。由于干气密封所处的工作场合不同，所以失效种类往往也不相同。通 过对各种失效现象进行理论分析，从而改进干气密封的参数特征，使其更加适应实际 工况。李沛远、张明奎【3 6 】首先对离心压缩机干气密封的特点进行理论上的研究与分析， 而后通过实验来研究干气密封的工作原理，且对一些有可能对密封性能产生影响的主 要参数进行了研究。杨惠霞、王玉明【37 】分析了泵用干气密封的工作机理及结构特点， 并且给出了在液氨泵上使用双端面干气密封效果的实例。 陈春萍【3 8 】针对应用于聚酯高温热媒循环泵中的干气密封进行了实验研究，使理论 与实验相结合，通过实验现象分析干气密封参数对密封性能好坏的影响，并且指出影 响显著的参数，为密封环的制造提供依据。施时楷、常怡涛【3 9 】等科学研究人员针对多 级离心式高压氨泵干气密封失效泄漏的原因进行了深入的分析，指出密封端面因磨损 导致失效的原因，是机封紧定套的失效。由于紧定套失效而产生一系列的连锁反应， 最终导致密封的失效。解决方法是在车床上单边进刀o 2 5 m m ，以保证密封元件的继 续使用。 杨惠霞、张瑞翔等应用机械密封相关的高级性能分析软件c s t e d y ，模拟分析了 用于改造炼油厂循环氢压缩机高压轴封的干气密封的性能。模拟过程中需要考虑和研 究的因素包括密封环变形情况、密封面压力和温度分布的情况。模拟验证改造可行后， 给出了机组轴端密封的具体实施措施与改造的技术路线，并且考虑了施工现场的情 北京化工大学硕上学位论文 况，提出了具体的改造技术方案。王鹏【4 i 】在对干气密封系统结构进行详细的分析与研 究之后，确定了影响干气密封性能的主要因素，并且针对b c l 4 0 6 a 型离心压缩机设 计了干气密封的密封结构。指出此种结构能够有效的减少整个压缩机密封系统的维修 几率，延长了压缩机的使用周期。蒙福祥【4 2 】对j o l l l l c