（化工过程机械专业论文）干气密封接触摩擦机理研究.pdf

摘要 非接触式机械密封的密封面被完整的流体膜隔开，端面处于非接触状态，具有磨损 少，寿命长、能耗低等优点。随着对非接触式机械密封研究得深入，密封运行过程中存 在的接触摩擦现象受到关注。密封端面接触摩擦研究对于提高非接触式机械密封的性 能，延长密封使用寿命有非常重要的意义。 本文设计了一种检测干气密封接触摩擦的实验结构，实验采用测量干气密封运行过 程中的振动，分析典型振动成分，从而判断干气密封接触摩擦的存在。通过对干气密封 实验结构进行改造，排除了接触式密封、水压波动等外在振动因素的干扰。对接触摩擦 特征频率的分析，证实干气密封端面存在端面接触现象。在分析实验结构的基础上，提 出造成干气密封端面接触的主要原因是密封动环角偏差和静环角偏差，且角偏差的大小 在密封运行过程中保持不变。通过求解稳态雷诺方程，得到干气密封端面气膜压力分布， 研究了角偏差对干气密封性能的影响。研究表明，角偏差使密封端面局部气膜压力出现 峰值，影响端面压力稳定。建立干气密封接触模型，根据干气密封的接触特点，提出消 除端面接触的措施，并进行可行性分析。研究表明，通过对密封锥度的优化，调节工况 参数( 例如转速、密封介质压力等) 可以消除干气密封端面接触。 关键词：机械密封，气体润滑，接触摩擦，稳态特性 m e c h a n i s ms t u d yo nc o n t a c t i n gf r i c t i o no fd r yg a ss e a l l i n gc h e n g ju n ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f h a om u m i n g a b s t r a c t t h e s e a l i n gf a c e so ft h en o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a lf a c es e a la r es e p a r a t e db yu n d i v i d e d f l u i df i l m s ，w h i c hc o u l dr e d u c et h ef r i c t i o nl o s s e sa n d w e a et h ef e a t u r eo ft h en o n c o n t a c t i n g m e c h a n i c a lf a c es e a li st h a ts e a l i n gf a c e sd on o tc o n t a c te a c ho t h e r b u tf o ran o n c o n t a c t i n g m e c h a n i c a lf a c es e a lt h ec o n t a c ts t i l le x i s t s t h ec o n t a c tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o rw a sa t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h es t u d yo fn o n c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lf a c ec o n t a c ti sv e r y i m p o r t a n tt oe n h a n c et h eb e h a v i o ra n dp r o l o n gt h el i f eo fs e a l s an e we x p e r i m e n t a ls t r u c t u r eo fd r yg a ss e a lw a sd e s i g n e di no r d e rt od e t e c t i n gt h ed r y g a ss e a lc o n t a c t i n gb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r t h eo s c i l l a t i o no ft h ed r yg a ss e a lw a sd e t e c t e d b yap i e z o e l e c t r i cs e n s o r a f t e rc o m p a r e dt h el a t i t u d eo ft y p i c a lf r e q u e h c y , aju d g m e n tc o u l d b em a d ei ft h es e a lf a c ec o n t a c te x i s t e d s o m em o d i f i c a t i o n so ft e s tr i gw e r et a k e ni no r d e rt o i s o l a t eo t h e rs o u r c eo ft h eo s c i l l a t i o n ，s u c ha st h ec o n t a c to fc o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a la n d h y d r a u l i cp r e s s u r ef l u c t u a t i o n t h er e s u l to ft e s ts h o w e dt h a tf o rs e a lu n d e rc o n d i t i o nt h e r e w a sr u b b i n gc o n t a c tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r t h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fd r yg a ss e a l s u g g e s t e dt h a tc o n t a c tw a sp o s s i b l ed u et ot h er e l a t i v em i s a l i g n m e n tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r a n dt h em a g n i t u d eo ft h er e l a t i v em i s a l i g n m e n tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o rc o u l db eaf i x e d v a l u ew h e nt h ed r yg a ss e a lw a sw o r k i n g t h er e l a t i v em i s a l i g n m e n tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r w a sp r o d u c e db ys e a lm a n u f a c t u r e ，s e a la s s e m b l ea n do t h e rf a c t o r s t h er e y n o l d se q u a t i o n w a ss o l v e da n dt h eg a sf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h es e a lf a c e sw a so b t a i n e d t h e i n f l u e n c eo ft h em i s a l i g n m e n to nt h es e a l s t e a d y s t a t e b e h a v i o ra n dg a sf i l md y n a m i c b e h a v i o rw a sa n a l y z e d t h er e s u l ts h o w e dt h eg a sf i l mp r e s s u r eo nd r yg a ss e a lf a c ew a s s h a r p l yi n c r e a s e da tas m a l lr e g i o nw h i c hi n f l u e n c e dt h es t e a d yo fs e a lf a c ep r e s s u r e t h e n s o m em e a s u r e sw e r ep r e s e n t e dt oe l i m i n a t et h ed r yg a ss e a lf a c ec o n t a c t t h ef e a s i b i l i t yo ft h e m e a s u r e sw a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h em o d i f i c a t i o no fc o n i n ga n g l ea n da d ju s t i n g o p e r a t i n gp a r a m e t e r ( s u c ha ss h a f ts p e e da n dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ) c o u l de l i m i n a t et h ef a c e s c o n t a c t k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，g a sl u b r i c a t e d ，c o n t a c t i n gf r i c t i o n ，s t e a d y - s t a t e b e h a v i o r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：佘献君日期：2 。口寥年6 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：令献舅 指导教师签名：；孝至瑶盘q 日期：圳。埠 ，、 日期：m 硼年 s 舄| b 占月砂日 中国缸油人学( 华东) 硕f ：学位论文 1 1 课题研究目的及意义 第一章前言弟一早月i j 苗 机械密封是旋转式流体机械的关键部件，广泛应用于离心泵、压缩机、反应釜等需 要严格控制泄漏率的场合。非接触式气体润滑机械密封( 又称干气密封) 利用流体动压 效应，使两个密封端面被具有一定刚度的气膜分开，处于非接触状态，具有摩擦功耗低、 使用寿命长、工作可靠性高、辅助系统简单、没有环境污染、运行维护费用低等一系列 优点【1 1 。 干气密封常用于许多高速旋转机械如空气压缩机、鼓风机等。实际应用中，不可避 免的会出现密封失效，造成密封失效的原因很多，运行过程中出现的端面接触是主要原 因之。关于非接触式机械密封的接触摩擦问题，有关学者已做了大量研究，但主要关 注的是密封开启和停止过程中的接触摩擦，没有研究密封运行过程中存在的接触问题。 对于运行过程中造成端面接触的原因，更是很少涉及。因此，实验研究干气密封运行状 态中的接触摩擦现象，理论分析造成接触摩擦的原因，提出消除摩擦的措施，对于提高 干气密封的性能和延长使用寿命具有重要的现实意义。 论文根据干气密封接触摩擦的特点，设计了干气密封接触摩擦实验装置。通过实验 证实干气密封运行过程中存在接触摩擦现象。分析于气密封的结构特点和装配特点，提 出影响端面接触的因素，并利用数值计算研究了其对密封性能的影响。建立了干气密封 接触摩擦模型，提出消除端面接触的措施，并理论分析了消除端面接触的可能性。 1 2 机械密封研究现状及分析 1 8 8 5 年机械密封首次应用于工业生产，但受当时材料和加工条件的制约，材质差、 寿命短，未能获得广泛应用。至上世纪2 0 年代，机械密封才开始应用于冷冻装置上。5 0 年代后期，石化、宇航与核电等行业的迅速发展对机械密封提出了更高的要求，从而大 大推动了机械密封技术的进步。机械密封的新技术、新结构、新工艺和新材料不断涌现， 并逐步形成了比较系统的机械密封理论，国际问的交流与合作亦开始日益广泛。目前国 际上已有不少专门从事研究、生产和销售机械密封产品的学术团体与跨国公司，如英国 流体机械学会( b t t r g ) 、美国的j o h nc r a n e 公司、德国的b u r g m a n n 公司以及同本的p i l l a r 公司等。我国从上世纪5 0 年代后期开始认识、研制并使用机械密封，国家投入了大量 的人力、物力和财力进行研究开发，1 9 7 0 年出台了“泵用机械密封系列”标准；1 9 7 3 年 第一章前者 又出台了“釜用机械密封系列”标准。目前已具有一定的研究、设计和生产能力，并伴 随制定了一系列标准【2 1 。n 2 0 世纪末，在常规机械密封的设计、生产方面已基本达到国 际先进水平，但在产品规格、高性能材料和高参数( 高温、高压、高p y 值和低粘度等) 机械密封方面，仍有很大差距。尤其在流体动压型机械密封领域，研究尚处于起步阶段。 1 2 1 密封机理的研究进展 普通机械密封能否保持较低的泄漏率而又能长周期运转，主要取决于密封端面的摩 擦行为及密封特性。长期以来，机械密封端面间的摩擦状态问题一直是学术界和工程界 争论的焦点。目前，用于解释机械密封端面间的摩擦状态和密封特性的主要理论有流体 摩擦与润滑的成膜理论、边界摩擦与润滑的流体交换流动理论、干摩擦的热裂理论、混 合摩擦与润滑的微凸体接触理论、热流体动力楔理论以及相变理论等。 e m a y e r 博士根据其多年的研究成果认为，普通机械密封的端面一般处于边界摩擦 状态，解释了在较大接触应力下，软质摩擦副无论在高粘度或低粘度介质中以不同转速 运转时仍具有较长使用寿命的原因。并且基于边界摩擦学说提出了流体交换流动理论l j j 。 液体主要通过单个设有相互连通的沟槽的空隙渗入密封界面。当密封环旋转时，在很小 的残压和离心压力的作用下，液体在密封面相互搭接的沟槽和空隙之间进行交换。摩擦 副端面间的空隙彼此之间很少连通。在边界摩擦状态下，由于固体的分隔作用构成许多 空隙。当其中一个旋转时，液体从一个空隙转移到另一个空隙中去，直到液体达到缝隙 的终端为止。 通常机械密封端面会由于表面微凸体的接触而温度升高，或由于其它原因发生干摩 擦。干摩擦产生较大的摩擦热，引起表面温度升高，从而在接触带附近产生很大的热应 力，造成热裂。虽然热应力是压缩应力，但由于接触运动而使热应力释放，在表面形成 残余拉应力，出现较浅的表面裂纹，这就是干摩擦的热裂理论。g o l u b i e v 对此进行了深 入研究，认为热裂主要是由于环内切向应力过大导致密封面出现细微的径向裂纹【4 j 。 n a u 博士的研究结果表明，目前工程应用中的机械密封多数处于流体动力摩擦工况， 探讨了有些密封在低摩擦条件下运转的机理【5 1 。然而，l e b e c k 的实验研究表明，在水润 滑条件下普通机械密封并不能形成足够的流体动压承载能力，认为可能存在迄今为止未 解释过的平行滑动润滑中的似流体动压承载机理【6 1 。l e b e c k 的这一结论使得机械密封机 理的研究变得错综复杂。 上述研究的出发点都是为了保持密封端面间良好的润滑和减轻磨损，从而保证机械 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 密封具有较长的使用寿命。这些理论部分揭示了密封机理，促进了机械密封技术的进步， 由此也出现了许多机械密封的新结构和新材料，延长了机械密封的使用寿命。但是在密 封端面问狭小的界面上存在着摩擦、磨损、变形、流体流动、相变和腐蚀等许多复杂的 物理、化学过程，要做到全面而真实地反映各种因素的影响和相互关联的规律，目前无 论是理论分析还是实验研究都还十分困难。 1 2 2 机械密封的国内外研究进展 由于普通机械密封的密封端面较难实现全流体润滑，即使在润滑良好的介质中，正 常寿命也仅有1 2 午，在腐蚀性或含颗粒介质中寿命更短；而在高温、高速和低粘度等 高参数工况下，必要的润滑条件则更难保证，以至密封环端面发生非正常磨损、热裂、 疱疤、表面剥落、氧化、结焦及端面间介质汽化，从而导致密封迅速失效。虽然通过合 理设计密封结构和选择正确的材料，并配之以良好的冷却、冲洗系统等辅助设施，可以 使机械密封性能得到改善，但要彻底解决机械密封摩擦、磨损与泄漏之间的矛盾较为困 难。通过在密封端面上开槽等手段来改善端面间的润滑状况，利用各种流槽的动压效应， 在密封端面间产生较大的液膜承载力，实现端面的非接触，在保证密封性能的同时，实 现机械密封的长寿命运行，这是目前机械密封领域的高新技术。 ( 1 ) 国外理论方面的研究 丌槽机械密封中流体动压效应研究依据主要是轴承理论。在机械密封端面上开出深 度为微米级的流槽，依靠流体动力效应在两端面间建立流体动压力来平衡闭合力，实现 密封端面的非接触。该类机械密封的理论基础是流体动力润滑理论。流体动压的产生依 靠密封面间相对运动时槽的台阶效应和输送效应，其液膜流动的控制方程) - , g r e y n o l d s 方 程或n a v i e r s t o k e s 方程。 w h i p p l e 最早建立了开槽平面间流体压力分布模型，他提出了压力线性分布理论， 研究了等间距排列的平面平行槽与平板间的流体流动，发展成了w h i p p l e 轴承理论h 1 。 m u i j d e r m a n 8 】提出了窄槽理论来分析平形、球形以及圆锥形螺旋槽推力轴承。并且提出 了计算压力、载荷能力、摩擦扭矩和轴承摩擦系数的近似公式。同时也对螺旋槽推力轴 承，也作了临界实验。实验结果和分析结果对比发现，其效果对于不可压缩流体是非常 好的。c h e n g 在考虑了和雷利阶梯密封时，利用窄槽理论对可压缩流体分析讨论了螺旋 槽和密封坝的相对位置问题。在以低转速时，以轴向刚度减小为代价，螺旋槽端面密封 的低压侧密封坝可使泄漏量减小。对于低转速，高压侧的密封坝则会产生高的刚度值。 第一章前言 在考虑了平行、球形、锥形以及圆弧形螺旋槽的几何形状后，s m a l l e y 在1 9 7 2 年提出了在 普通牮标系下的窄槽理论，同时利用有限差分法给出了密封载荷、功率损失、泄漏量以 及刚度系数的控制公式。1 9 7 4 年，h s i n g 禾t 用摄动理论研究螺旋槽流体流动的轴向和径 向动态特性9 1 ，这一方法也被用来研究螺旋槽球轴承和螺旋槽圆锥轴承【1 0 地1 。与螺旋槽 轴承要求获得较大的液膜承载能力及螺旋槽粘液泵强调较大的输送效率不同的是，螺旋 槽机械密封要求泄漏小、液膜承载力大【1 3 】。1 9 7 9 年，g a b r i e l 基于m u i j d e 肌a n 的螺旋槽轴 承理论的近似解析法，对螺旋槽机械密封的基本问题进行了较全面的论述i l4 | 。 密封锥度的发现，使的密封动力学的研究更加丰富。c h e n g ) 及e t s i o n 等人发现密封端 面变形出现了锥度，其间流体压力可使密封端面分离形成非接触机械密封f 1 5 , 1 6 】1 。但由于 影响锥度形成的原因很多，且在运行过程中不断变化，很难对径向锥度定量预测和控制。 机械密封运行时，其稳定性较差，因而主动利用锥度的机械密封应用不多。受流体动压 和静压轴承的启发，在机械密封端面上开槽、台阶、斜面和孔以产生流体动压和静压效 应，实现密封端面的非接触，该方面的研究不断深入，进展显著。 目前，关于开槽机械密封的研究主要侧重于端面间由于槽的存在而产生的流体动压 力的计算和利用，以及承载力、刚度、摩擦损失和泄漏率的确定等。由于直接求解控制 方程的难度较大，而运用解析法求解时又必须作一定的简化，因而要精确求解液膜压力 较为困难。随着计算技术的发展，数值分析成为研究开槽机械密封性能的常用方法。 g e r o 等1 1 7 】对采用有限差分法和有限元法求解r e v n o l d s 方程的计算精度、计算复杂程 度和计算成本进行了广泛的比较和评价，表明两种方法均有各自优劣。1 9 6 9 年，z u k 等 副用有限差分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，发现在槽 很浅的情况下，横截面涡流对轴向流动的影响可以忽略。1 9 8 2 年，w a l o w i t 等【1 9 】用有限 差分法研究了端面中间开设矩形浅槽的机械密封的性能。1 9 8 8 年，i k e u c h i 等【2 0 】用有限差 分法计算了圆周泵送槽与r a y t e i g h 台阶组合的机械密封性能。1 9 9 2 年，b a s u t ：u 】分别采用 有限差分和有限单元法计算了径向槽气体机械密封的性能。1 9 9 3 年，b o n n e a u 等【2 2 j 用八 节点有限单元法计算了螺旋槽气体轴承和密封的性能。s a l a n t 【2 3 1 采用有限差分法计算了 液相机械密封槽型对其泄漏率的影响，表明螺旋槽具有良好的“上游泵送”能力，随后 于1 9 9 3 年计算了螺旋槽上游泵送机械密封的刚度和泄漏纠2 4 1 。 在研究开槽机械密封密封性能的同时，产生了两种不同的密封动力学形式。一种是 非接触式静环挠性安装机械密封，简称f m s 密封；另一种是非接触式动环挠性安装机械 密封，简称f m r 密封。如图1 - 1 和图1 - 2 所示。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 二次密封 动环角偏差 ：正向驱动件 静环角偏差 弹簧 = 次密封 图卜1f m s 密封图卜2f m r 密封 f i g1 - 1 f m ss e a l f i g1 - 2 f m rs e a l 八十年代之前，大多数关于f m r 密封的研究主要在于分析密封挠性元件与时间有 关的特性。由于挠性安装环的运动受多种因素的影响如密封件偏心、转轴振动、挠性支 撑与流体膜的动态特性等，n a u 考虑的这些因素之后，建立了接近实际情况的理论模型 【2 5 】。1 9 8 6 年，g r e e n 和e t s i o n 研究了端面机械密封防转销和传动销的影响。随后，1 9 8 9 年g r e e n 对于f m r 型密封的动力性能进行了研究，分析了密封环角偏差对密封性能的 影响。提出当密封的支撑刚度和阻尼最小时，由密封环角偏差产生的相对响应最小【2 6 j 。 对这两种密封结构的动力学研究之后，结果表明，f m r 型密封与f m s 密封的流体 膜动态特性系数除一耦合系数不同外，其余完全相同。通过分析得到，f m r 型密封处 于理想稳定区时动环将以轴频率的一半做反向进动，且外流型密封的角向刚度较内流型 大，因此更可取【2 7 】。 以上述工作为基础，便可对f m r 密封做完全的动态分析，研究挠性动环的动态响 应。g r e e n 2 6 1 8 5 开究了非接触f m r 密封的动态特性，给出了挠性安装环稳态响应的分析解。 并以一具体实例从相对偏差、临界静环角偏差以及临界速度等与非接触f m s 密封进行 了详细对比。从各方面比较，非接触f m r 密封要优于非接触f m s 密封。 ( 2 ) 国内理论方面的研究 国内对于非接触式机械密封动力学的研究工作起步较晚，进展缓慢。1 9 9 0 年，石油 大学彭旭东【2 8 1 在其发表的论文中首次介绍了国外有关机械密封动力学的发展概况，但涉 及流体动压型非接触式密封的内容很少。随后，顾永泉【2 9 】利用已有的密封动力学理论模 型，用解析法讨论了密封稳定性门槛值，但其主要内容仍是建立在对国外已有工作的总 结之上，并未作深入探讨。 近年来，更多的学者投入到非接触式密封动力学的研究。王美华【3 0 1 用三角单元有限 第一章前言 元法汁算了人字形槽机械密封端面间的压力场，并对其热变形及力变形作了研究。王建 荣、顾永泉等【3 1 1 用有限元法计算了圆弧槽气体密封的特性。蔡文新等用八节点有限单 元法计算了螺旋槽气体密封的压力。彭建等3 3 1 采用八节点有限单元法计算了螺旋槽气体 密封的压力，并进行了部分参数优化。刘雨川等【3 4 锄1 对端面气膜密封动力学问题进行了 理论分析，利用有限元法计算了三自由度方向1 8 个气膜动态特性系数，研究了不同端 面几何结构气膜密封的稳态特性及气膜自振稳定性。此外，李双喜等3 7 】利用有限元法计 算了仅受轴向扰动时螺旋槽气体密封动态特性系数；徐华等【3 8 】分析了人字槽型液体密封 的动态特性。胡丹梅等采用八节点有限单元法计算了直线斜槽气体密封的压力分布和 密封性能。 ( 3 ) 密封实验应用方面 机械密封的研究与密封的实验应用密不可分。自从对密封的动力学研究开始，学者 们就不断的通过实验验证、推动机械密封的发展。九十年代以后，g r e e n 等学者通过大 量的理论研究，证实了f m r 型密封的优越性。1 9 9 5 年l e e 和g r e e n 建立了f m r 型密封的实 验装置【4 0 1 。实验数据极好的符合了理论关于“f m r 密封性能优于f m s 密封”的论断。在 此实验装置的基础上，g r e e n 研究了干气密封的高频振动现象【4 。实验表明，f m r 型密 哆封非常容易受到高阶谐振动的影响。通过分析，排除了动环动态力矩等因素，确定造成 这种高频谐振动的原因是密封端面接触。文中指处，密封安装引起的偏差是引起密封端 面接触的根本原因。 由于密封偏差是由于制造、装配等因素引起，无法消除。因此研究密封在具有偏差 的情况下的性能成为一个最新课题。2 0 0 0 年，d a y a n ，z o u 和g r e e n 分析了密封工况参 数对密封性能的影响【4 2 】。并总结了选择密封工况点方法，对于低转速，小载荷，小干扰 的一般应用必须满足小的锥度和端面间隙，以实现最小泄漏量。对于工况变化剧烈且没 有规律情况，则需要设置动态的控制系统来辅助密封。随后，z o u ，d a y a n 和g r e e n 研 究了通过间隙调节实现消除密封接触的可能性【4 3 1 。z o u 和g r e e n 【4 4 1 使用p i ( 比例积分) 控制流程图，利用一台个人计算机和一个专用的控制处理器实时采集处理实验数据，并 对采集到的数据进行控制。实验表明，通过减小端面间隙可以消除高频谐波振动，即消 除端面接触。 在此同时，其他学者对于密封检控也取得了不少进展。其共同点是通过控制温度来 实现问隙调节，并由热电耦测得的温度作为一种反馈，前提是假设温度与间隙直接相关 联。但事实上，热电耦测得的温度只是贴近密封坝处的局部温度；再者，温度作为反馈 6 中国白油大学( 华东) 硕士学位论文 信号会造成“事件发生”与“采取控制 之间的时间延迟。显然，温度控制不是对间隙 的直接测量，因而不是最有效的反馈信号。 在工业应用方面，国外的进展比较迅速。早在1 9 8 4 年，e s t i o n 明确提出了零泄漏非 接触机械密封的概念，发明了圆叶槽机械密封4 5 1 。1 9 9 0 年，n e t z e l 4 6 1 分别介绍了利用“上 游泵送”原理的螺旋槽机械密封成功应用的工业实例。与液体密封相比，气体密封的工 业应用更加广泛。19 7 4 年，螺旋槽气体润滑流体动压机械密封首次成功应用于炼油厂的 透平膨胀机上。随后不断完善优化参数，提高了流体动压效果。同时开槽端面的材料也 得到了发展，从传统的碳化钨发展到热性能更好且易于制造的表面渗氮和渗硼的铁基合 金【4 7 1 ，端面槽型也从仅能单向旋转的螺旋槽发展到能双向旋转的对称斜面槽、t 形槽、 组合螺旋燕尾槽和能反向旋转的单向螺旋槽。 国内方面，有关学者对机械密封技术不断探索和创新，取得了较大进展。郝木明【4 剐 对泵用新型零溢出非接触式机械密封的工作原理和技术优势进行了综合。刘录等【4 9 】对机 械端面运动状态进行了实验研究，讨论了机械密封端面倾斜而产生的动力效应对端面稳 定性的影响。顾伯勤等刚对国内外机械密封技术最新进展进行了全面的总结，提出机械 密封监控技术将会获得广泛应用。 1 3 研究现状分析 对上述国内外有关机械密封研究的分析中可以得出： ( 1 ) 非接触式机械密封的稳态特性，研究的比较充分。对于干气密封的动态特性 分析的研究不足。 ( 2 ) 干气密封的研究主要集中在密封端面槽型对于密封动压效果的影响。但并未 考虑实际使用的条件。 ( 3 ) 干气密封的接触摩擦研究处于起步阶段，对于造成密封接触摩擦的原因分析 不足。 1 4 研究方案 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 实验验证干气密封接触摩擦的存在。通过分析密封接触摩擦特点，设计干气 密封接触摩擦实验结构。测量干气密封环的振动成分，依据摩擦振动的判定方法，证实 干气密封接触摩擦的存在。 第一章前言 ( 2 ) 分析干气密封接触摩擦的原因。通过分析干气密封实验结构，提出影响密封 端面接触的因素。通过数值计算，研究其对密封性能的影响。 ( 3 ) 建立干气密封接触摩擦模型，根据接触特点，提出消除干气密封接触摩擦的 措施，并利用数值计算研究其可行性。 1 4 2 研究目的 实验验证干气密封接触摩擦的存在。在此基础上，分析密封端面产生接触的原因。 建立接触摩擦模型，提出消除干气密封接触的措施。为消除干气密封接触提供支持。 1 4 3 研究方法 根据干气密封接触特点，设计干气密封接触摩擦实验结构。根据摩擦振动的判定方 法，分析实验结果。在证实干气密封存在接触摩擦的基础上，理论分析造成密封端面接 触的原因。并利用数值计算研究消除干气密封接触摩擦措施的可行性。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章螺旋槽干气密封 螺旋槽干气密封是基于现代流体动压润滑理论的一种新型非接触式气膜密封。气膜 密封动环或静环端面上通常开出微米级流槽，主要依靠端面相对运转产生的流体动压效 应在两端面问形成流体动压力来平衡闭合力，实现密封端面非接触运转。本章以螺旋槽 干气密封为例，简单介绍了干气密封基本情况。 2 1 干气密封工作原理 干气密封基本工作原理是利用流体动、静压效应，在动静环之间形成一层很薄的气 膜，该气膜具有一定的刚度。最终气膜形成的开启力与端面闭合力相平衡，使密封工作 在一个非接触的稳定状态。此时密封端面间存在一个很小的间隙，此问隙一方面保证泄 漏量不至超标，另一方面使动、静环端面实现非接触运转5 ”。 2 2 干气密封参数 o 圈2 - 1 螺旋槽密封环模型 2 - 1s p i r a l g r o w es l i n gr i n g 2 2 1 几何参数 普通平端面机械密封的几何参数主要包括密封面内半径、外半径、平衡半径咋、 密封面宽度b ，、平衡系数k 。对于端面开槽的流体动压型机械密封，还包括动压槽的几 何参数，如螺旋槽的螺旋角口、槽深以、槽宽比b 、槽长比五和槽数。 ( 1 ) 内半径 由于转轴与静环相对转动，所以静环内半径与轴( 套) 半径之间需留有一定间隙， 一般取1 3 岫。 第二章螺旋槽干气密封 ，j = + ( 1 3 ) ( 2 - 1 ) ( 2 ) 密封面宽度6 ， 与普通机械密封中的密封面宽度相比，螺旋槽密封需要有较宽的密封面。其取值为 普通机械密封中所需密封面宽度的3 5 - - 4 5 倍。在高压工况下，上述取值要稍大一些。 在b ，确定后即可求得密封面外半径_ 。 0 = 一+ b ， ( 2 _ 2 ) ( 3 ) 平衡系数k 。 按密封介质压力引起的端面比压与密封介质压力之比的大小可将机械密封分为平 衡型和非平衡型。通常可用流体的有效作用面积a 。和密封面面积月之比来反映流体 压力作用程度。 ，彳。 2 寸 爿 ( 2 3 ) 当1 时，为非平衡型机械密封，流体的有效作用面积大于密封面面积，密封端面上 的作用力随密封流体压力的升高而增大，此类密封只适用于低压场合。k b l 时为平衡 型机械密封，当介质压力增高时，密封端面上的作用力反而减小，此类密封适用于高压 场合。 ( 4 ) 螺旋角口 螺旋角定义为曲线上任一点处的切线与过极点的射线的夹角，如图2 1 所示。 ( 5 ) 槽宽比曰 槽宽比是指同一圆周上所有槽的宽度与圆周长度之比，反映了螺旋槽宽度的大小。 ( 6 ) 槽长比兄 槽长比五是指槽的径向长度与密封面宽度之比。 五：尘羔 ( 2 4 ) r f i r l 2 2 2 力学参数 机械密封的力学参数包括端面比压( 密封副闭合压力) 、液膜压力、载荷系数和膜 压系数等。以动环和静环为研究对象，对其作受力分析。图2 2 表示内流式机械密封， l o 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 即泄漏介质从密封面外径处流向内径处。p 。为密封介质压力，p ，为大气侧压力。为 弹性元件提供的压力，f 。为施加在静环上的作用力。 动环静环 图2 2 机械密封环的受力分析 f i g2 - 2 l o a do ns e a l i n gr i n g so fm e c h a n i c a ls e a l 当机械密封处于静止状态时，密封端面紧密贴合。作用于密封副上的力只有流体静 压力。动环受两个方向力的作用，一个是使密封面闭合的力e ，它由弹簧力和动环 背后密封介质压力p 。和背压p ，引起的力组成。 疋= ，二+ p 。彳1 - i - p f 么2 ( 2 - 5 ) 式中彳，为动环背面的流体作用面积，彳，为空气侧背压作用面积。由于密封的设计确定 了p 。和p ，的作用面积，而且弹簧的弹性比压也是固定的，因此密封在运行过程中，开 启力是保持不变的。另一个是使密封面开启的力e ，静止时为端面间的接触压力提供。 此时c = e ，静环端面和动环端面贴合，起到静态密封作用。 在密封正常运转时，被密封气体轴向吸入端面间隙内，因为浅槽结构的作用，气体 被压缩，压力升高，形成端面动压力。同时，由于被密封气体在端面间隙内的静压作用 产生端面静压力，密封端面的开启力就由动压力和端面静压力组成。图2 3 为干气密封 端面力平衡示意图。 图2 3 ( a ) 所示，为干气密封端面间隙处于正常的情况，此时端面间隙为h o ，端面 闭合力与开启力相等；当受到外界干扰( 如操作波动) 时，气膜厚度变小，则由于楔效 应的作用，端面浅槽产生的动压力增大，开启力大于闭合力，为保持端面力平衡，密封 将自动恢复到原来间隙，如图2 3 ( b ) 所示；反之，受到外界干扰，气膜厚度变大时， 楔效应减弱，端面浅槽产生的动压力减小，开启力小于闭合力，为了保持端面力平衡， 密封亦将自动恢复到原来间隙，如图2 3 ( c ) 所示。可见，只要在设计范围内，千气密 封具有自动调节端面间隙，并保持其稳定的能力。 皿鼍nm萝萝阢 第二章螺旋槽干气密封 国国 目国 垡 勿 忒 笏蕊 力裁荷 开启力! 0 ；) 图2 3 干气密封力平衡图 f i g2 - 3d r yg a ss e a lf a c ef o r c ee q u i l i b r i u m 2 2 3 性能参数 机械密封性能的主要评价指标为：开启力、液膜刚度、泄漏率、允许p y 值、摩擦功 耗等。 ( 1 ) 开启力f 机械密封运行时使密封面相互分开的力称为开启力。它是由密封端面间流体膜的压 力引起的。开启力也可称为液膜承载力。 。( 2 ) 流体膜刚度k 。 机械密封两密封端面间的流体膜阻止着间隙的变化，每单位膜厚变化引起的力的变 化称为刚度，其量纲为n m 。正的刚度能使密封装置抵御压力及其它机械扰动的影响， 避免密封副直接接触。流体膜的刚度可用来描述非接触式机械密封的工作稳定性。流体 膜的刚度包括切向刚度和轴向刚度，在分析计算时，主要考虑流体膜轴向刚度对密封性 能的影响。 ( 3 ) 泄漏率p 由于密封面是非接触式的，因而介质的泄漏不可避免。对于非接触式密封，一般用 1 2 饧。饧 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泄漏率衡量其运行特性。影响泄漏率的因素很多，如动坏速度、介质压力、液膜温度、 粘度和密封结构等。研究表明，螺旋槽机械密封的泄漏率是相当小的。 ( 4 ) p v 值 p v 值是端面比压与密封端面平均滑动速度的乘积。它在机械密封设计、制造和使 用中需要重点考虑。 ( 5 ) 摩擦功耗 流体润滑的机械密封虽然是一种非接触密封，但密封副端面与润滑液膜之间仍然存 在着剪切应力，并且由于间隙小，切剪应力相对较大，所产生的摩擦功耗不能忽略。摩 擦功耗是机械密封装置运行时总功耗的主要部分。摩擦功耗与介质的粘度、液膜的几何 尺寸以及动环转速有关。 2 3 干气密封稳态特性 螺旋槽干气密封稳态特性是指密封稳定运转时的准静态性能，主要包括平衡膜厚、 泄漏率、摩擦系数、气膜开启力以及刚度系数。 2 3 1 数学模型 ( 1 ) 端面几何结构 图2 4 为静环外径侧开螺旋槽干气密封端面结构示意图，与之配对的密封动环按图 示相反方向旋转。 谚 q 。邬 p j p 。f i嬲 舱 夕。 二鼍 图2 l 4 密封端面示意图 f i g2 - 4 s e a lf a c ef o r m 图中p ，、p 。分别为密封静环内径及外径侧气体压力，p a ；q 为动环角速度，r a d s ； 第一二章螺旋槽干气密封 口为螺旋角；、_ 和名分别为内径、外径及螺旋槽底半径，m ：w g 、w ，分别表示槽宽 及台宽，m ；定义槽台宽比为口g = ( w ，+ w g ) 。 本章采用的螺旋槽型线为对数螺旋线，其控制方程为： ，| = r d ( 2 ，6 ) 式中，为半径，聊：矽为角度，r a d 。 ( 2 ) 膜厚方程 密封端面任意半径r 处局部膜厚为： 台坝区： h 。= h o ( 2 7 a ) 槽区： h o = h g + 办。 ( 2 7 b ) 式中，以为螺旋槽深，m ；h o 为稳态平衡时动环和静环轴线处膜厚，m 。 2 3 2 数值求解 ( 1 ) 控制方程 假设密封端面微小间隙内气体处于等温、等粘及层流状态，则端面气膜控制方程为 二维二阶可压缩形式雷诺方程，柱坐标系下可表示为【5 2 1 ： r 导( p h 3 雾) + 易寿) = 6 t q r 2 等 p 8 ， 为减少方程参数便于结果讨论，对上述雷诺方程( 2 8 ) 式进行无量纲化处理并引入下 列无量纲变量： 无量纲半径： r 一：二 无量纲膜厚：厅；_ h 1 7 ” 无量纲压力：p ：旦 则无量纲形式雷诺方程为： 中国石油人学( 华东) 硕土学位论又 去嘉( 丽3 蒹法+ 南( 荫3 蒜) = 八南c 荫，q 柳 式中，人：里罢呈为压缩数。 p o n o 上述方程边界条件有两类： 强制性边界条件： 内径处： r 一= r i ，p 一= 覃 外径处：r = r 。= 1 ，p = 只= 1 周期性边界条件： 压力沿整个密封端面分布是周期性的，可以利用周期性边界条件对解域进行简化， 选取如图2 - 5 所示的一个槽台坝区作为计算区域，则周期性边界条件为： 巾伊+ 聍砍瓦力 式中，n 。为槽数。 r c 图2 - 5 计算区域 f i g2 - 5 c a l c u l a t i n ga r e a 图2 5 中：f 表示选取一个槽台坝区作为计算区域，c 表示计算区域边界；t 表示 选取的一个单元，c 。表示其边界。 ( 2 ) 有限元方程 变分方程 设庐为歹的变分，利用g a l e r k i n 法建立( 2 9 ) 式的变分方程： 舻两 ( 2 1 0 ) 第二章螺旋槽干气密封 式中，g 为余量；1 1 表示解域。 取满足前述边界条件的压力近似解芦，则其在边界上和解域内余量为： s = 三r 旦a ( a ( 丽3 艺 + 三r 杀( 丽3 篆) 一八旦a c n ( 丽)r a 矽j勰l 觎，j 将式( 2 11 ) 代入( 2 - 1 0 ) 式得： 9 【妄南( 两3 盖) + 去去( 豆研3 暮) _ 人品c 荫， 万一= 。 利用分步积分对其降阶化简，得到： f 1 1 里里塑+ 里堡鲤一廊塑妇删 _ l2r a 够r o f o 2o ro r a 9i 变分方程离散化 n 45 6 87 图2 - 6 节点划分 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) t ll g2 o d l v l o l n gg r l o 为保证较高的计算精度并能适应曲线边界的要求，采用如图2 - 6 所示四边形8 节点 等参单元对解域进行离散，各节点插值函数为： l = 丢( 一1 + 9 7 7 + 9 2 + r 2 _ e 2 刁- s r j 2 ) 2 = 昙( 1 一s 一7 7 2 + 研2 ) 3 = 丢( 一1 一9 7 7 + 9 2 + 刁2 + e 叩2 _ 8 2 7 7 ) 4 = 三( 1 + 占一占2 一s ：7 7 ) 5 = 丢( 一1 + 9 7 7 7 7 + ) 6 ：- ( 1 + 占一7 7 2 一占7 7 2 ) 1 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 +92+玎26217+erlaq2 )+ g + 玎一7 +) 占2 + 占2 r ) 将解域划分成m 个单元后，变分方程对整个解域的积分就可化为对每个单元积分之