（化工过程机械专业论文）干式气体端面密封仿生设计的基础研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r b a s i cr e s e a r c ho nb i o n i cd e s i g no fd r yg a ss e a l s c a n d i d a t e ：h u y a nc h e n l o n g a d v i s o r ：p r o f e s s o rp e n gx u - d o n g a s s o c i a t e p r o f e s s o rb a is h a o x i a n c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y n o v2 0 1 2 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 璺球忆 e l 期：幽肠年心月时日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，l q 意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密、嘭 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：舭母南日期：少，1 年门月碍日 刷磴名砀趟尊、醐f 萨r 吠月妙日 ) 浙江工业大学硕士学位论文 干式气体端面密封仿生设计的基础研究 摘要 干式气体端面密封( d r yg a ss e a l ，简称为干气密封或d g s ) 的广泛应用，虽很大 程度上解决了石油化工等行业中关键大型旋转机械及其轴端密封问题，但也暴露出低 速、低压等操作工况下端面开启困难、稳定性差以及在高速、高压等高参数工况下泄漏 率较高、稳定差等瓶颈问题。 干气密封端面开设不同结构型槽，可减少端面间流体阻力、提升润滑效果，继而大 幅提升密封性能。本文以干气密封为研究对象，基于现有干气密封设计理论及仿生学原 理，依几何重构及类比法，提出干气密封仿生型槽的设计，为解决干气密封低速工况下 开启困难、高速工况下气膜稳定性较差等问题有重大意义。本文主要进行了如下研究： 1 ) 类比典型飞鸟羽翼轮廓对其飞行状态的影响，定义特征几何参数，依几何重构 法改良干气密封端面型槽设计，将仿生学理念引入干气密封技术。 2 ) 基于气体润滑理论，在端面气膜压力控制方程基础上，采用有限差分法分析干 气密封仿生型槽的特点，并建立数学模型。 3 ) 在数学模型基础上开展数值模拟，研究翼尾、多叶及其衍生仿生型槽等特征几 何参数对密封性能的影响规律及其适用工况，完善干气密封仿生型槽的设计理论。 4 ) 借鉴飞鸟翼翅剖面结构特征，类比设计符合气体流动特性的干气密封三维不等 深仿生结构型槽，系统研究槽深参数对密封性能的影响规律。 结果表明，相比现有干气密封型槽，借鉴飞鸟羽翼特征几何结构，合理优化获得的 干气密封仿生型槽，其开启力、气膜刚度等性能参数在一定范围内都有所提升。本研究 为干气密封型槽的设计开辟了新思路，验证干气密封仿生型槽设计理念，并为后续类似 研究的开展提供了可行方案，为干气密封技术的工程实际应用提供了理论依据。 关键词：干式气体端面密封，仿生学，飞鸟羽翼，几何轮廓，密封性能 浙江工业大学硕士学位论文 b a s i cr e s e a r c ho nb i o n i cd e s i g no fd r yg a ss e a l a b s t r a c t t h ew i d ea p p l i c a t i o no fd r yg a ss e a l ( d g s ) s o l v e dk e ys e a l i n gp r o b l e m st ol a r g er o t a t i n g m a c h i n ei np e t r o c h e m i c a la n do t h e ri n d u s t r i e s ，b u ts t i l le x i s t e dm u c hb o t t l e n e c kd e f e c tt h a t d g sw a ss u b j e c t e dt oh a r dt oo p e n ，g a sf i l mb r o k e nw h e ni to p e r a t e da tl o ws p e e do rp r e s s u r e ， o rh i l g hl e a k a g ew h e ni to p e r a t e sa th i g hs p e e do rp r e s s u r e b a s e do nm o d e mt h e o r yo fd g sa n dp r i n c i p l eo fb i o n i c s ，a c c o r d i n gt og e o m e t r i c r e m o d e l i n ga n da n a l o g y , t h i sa r t i c l ei m p r o v e dp r o f i l eo fd g s t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ： 1 ) t h r o u g ha n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so fb i r dw i n g s ，d e f i n e dc h a r a c t e r i s t i cg e o m e t r i c p a r a m e t e r s ，i n t r o d u c e dp r i n c i p l eo f b i o n i c st ot e c h n o l o g yo fd g sa n dp r o p o s e db i o n i cd g s 2 ) w i t ht h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o db a s e do ng a sl u b r i c a t i o nt h e o r ya f t e rt h eg e o m e t r i c m o d e lo ft h eg r o o v e df a c e ，t h er e y n o l d se q u a t i o nf o rg a sf i l mp r e s s u r ew a ss e tu p 3 ) b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，r e s e a r c h e dt h es e a l i n gp e r f o r m a n c ea n dw o r k i n g c o n d i t i o no fb i o n i cw i n g - t a i ls p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l ( w - d g s ) ，m u l t iw i n g - l i k es p i r a l g r o o v ed r yg a ss e a l ( m w - d g s ) a n di t sd e r i v a t i v et y p e s ，i no r d e rt oc o m p l e t et h eb i o n i c c o n c e p t t od g s 4 ) w i t hr e f e r e n c et os e c t i o ns t r u c t u r eo fb i r dw i n g s ，t h i sp a p e rf o c u s e do nt h es e a l i n g p e r f o r m a n c ei m p a c t e db yd e e pp a r a m e t e r so fd g s ，a n ds i m i l a r l yp r o p o s e dt h r e e - d i m e n s i o n a l b i o n i cs t r u c t u r eo fd g st oa d a p tt of l u i ds t a t e t h er e s u l t ss h o w e d ，c o m p a r e dt oe x i s t i n gd g s ，t h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo fb i o n i cd g s w i l lb ei m p r o v e dw h e nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fb i o m o r p h i cg r o o v e sw e r es e tr e a s o n a b l y , t h e nt h ef a c el i f t - - o f fa b i l i t yd u r i n gs t a r t - u po rs h u t - d o w na n dt h es t a b i l i t yo fs u c hb i o n i cd g s w i l lb ep r o m o t e d t h i sr e s e a r c hb r o u g h tan e wi d e at od e s i g no fd g s ，v e r i f i e db i o n i cc o n c e p t t od g s ，a n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rf o l l o w u pr e s e a r c ho re n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，b i o n i c s ，b i r dw i n g s ，g e o m e t r i cc o n t o u r s ，s e a l i n gp e r f o r m a n c e i i 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t 。i i 符号说明。v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 4 第3 章 3 1 3 2 1 2 1 d g s 研究现状2 1 2 2 仿生学研究现状一5 1 2 3 存在问题一8 研究内容8 鸟翼结构及干气密封仿生模型建立。9 飞鸟羽翼特征几何结构分析9 2 1 1 鸟翼轮廓特点9 2 1 2 鸟翼多层叠加结构1 1 2 1 3 鸟翼羽毛间隙结构1 2 2 1 4 鸟翼特征剖面结构1 3 仿生型槽几何模型构建1 4 2 2 1 仿生飞鸟翼尾轮廓干气密封型槽设计1 4 2 2 2 仿生多叶翼型槽干气密封设计15 2 2 3 仿生飞鸟羽翼厚度干气密封设计1 6 数学模型1 7 2 3 1 控制方程1 7 2 3 2 网格划分1 8 2 3 3 性能参数1 9 2 3 4 程序可靠性验证2 0 本章小结2 l 仿飞鸟翼尾轮廓的干气密封性能分析2 2 计算参数一2 2 螺旋槽与仿生槽气膜压力分布一2 2 i i i 目录 3 3 仿生槽几何结构参数的影响。2 3 3 3 1 径向宽度比2 3 3 3 2 圆弧长比2 6 3 3 3螺旋角2 8 3 4 w - d g s 与s d g s 性能比较3 0 3 5 本章小结31 第4 章仿生多叶翼型m - - t 气密封性能研究3 2 4 1计算参数3 2 4 2m w - d g s 性能分析3 2 4 2 1 不同型槽d g s 的压力分布3 2 4 2 2 不同型槽d g s 的性能比较3 3 4 2 3几何参数对m w - d g s 密封性能的影响3 4 4 3 m w - d g s 各衍生型槽的密封性能3 7 4 。3 1m w - d g s 衍生型槽压力分布3 7 4 3 2m w - d g s 衍生型槽性能分析3 8 4 4 本章小结一4 l 第5 章仿飞鸟羽翼厚度的干气密封性能分析。4 2 5 1 计算模型及参数4 2 5 2 压力分布4 3 5 3 计算结果与分析4 4 5 3 1 h m 强位置对仿生型槽性能影响4 4 5 3 2四种不同变深方式的干气密封型槽性能对比4 7 5 4 本章小结4 8 第6 章结论与展望4 9 6 1 主要完成工作及相关结论一4 9 6 2 创新点5 0 6 3 展望一5 0 参考文献5 1 致 射5 5 攻读学位期间参加的科研项目和成果5 6 w 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 鸟翼翼展长度，m m 鸟翼内翼长度，m l n 鸟翼尾翼长度，m m 鸟翼躯干宽度，m m 鸟翼翼展定位长度，m m 鸟翼翼根宽度，m m 鸟翼尾翼宽度，m m 鸟翼躯干长度，m m 鸟翼内翼宽度，m m 鸟翼外翼宽度，m m 鸟翼转角，o 鸟翼二次转角，o 鸟翼内翼面积，m m 2 鸟翼外翼面积，m m 2 鸟翼翼尾宽度比 鸟翼翼尾展弦比 密封端面外半径，m m 密封端面内半径，m m 密封端面槽根半径，m m 密封端面翼槽槽根半径，m m 密封端面多叶翼槽槽根半径，m m 密封端面多叶连接圆弧槽根半径，m m 径向宽度比 圆弧长度比 密封端面槽台比 密封端面槽坝比 密封端面型槽径向长度，m m v 以 如 如 厶 如如 幻 氏 b 尻屁& & 瓦 疋 n 飞 h & & y 孝三 符号说明 密封端面圆弧槽径向长度，m m 密封端面圆弧槽定位尺寸，m m 密封端面基槽螺旋角度，。 密封端面翼槽螺旋角度，o 密封端面多叶螺旋角度，。 密封端面基槽圆弧长度，o 密封端面翼槽圆弧长度，。 密封端面多叶圆弧长度，o 周向弧度系数 周向间隔弧度系数 基、翼槽分离间隔弧长度，。 多叶槽分离间隔弧长度，。 密封端面开槽区气膜厚度，g m 密封端面型槽深度，l a m 密封端面最大型槽深度，g m 密封端面型槽周期性个数 单位周向弧度，i = t r n g 有量纲端面外压力，m p a 有量纲端面内压力，m p a 动力粘度系数，p a s 旋转角速度，r a d s 密封压缩数，a = 6 o j r i 2 p i h 0 2 气体温度， 气体常数，j ( k g k ) 密封端面转速，r p m 仿生变深型槽阶梯编号 无量纲任意点压力 无量纲任意点半径 无量纲任意点气膜厚度 v i k “ 娩 研 晓 以 p 岛的 的 办 ， 风 a 彳 丁 风 刀 凤 p r 浙江工业大学硕士学位论文 密封端面开启力，n 密封端面气膜刚度，n m 密封端面泄漏率，m 3 s 密封端面刚漏比，n s m 4 密封端面开启力增量比 密封端面泄漏率增量比 密封端面零转速开启力，n 密封端面零转速泄漏率，m 3 s v i i 删 删 r 眨q 厂 研如r 9 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 机械密封是流体机械的重要组成部件之一，被广泛应用于国防军工、航空航天与核 能电厂等高端技术领域，以及石化、水利等国民经济主导行业。随着各行业不断向无污 染、低能耗、长周期和高收益方向发展，继而要求机械密封实现零泄漏、长寿命、无污 染和低耗费，且适用于易燃易爆或有毒性工况【l 】。由于接触式机械密封难以满足上述要 求，因此新型机械密封不断得到研发并逐渐批量应用于工程实际。 干式气体端面密封( d r yg a ss e a l ，简称为干气密封或d g s ) 作为一种新型非接触 式机械密封，它采用“以气封液”或“以气封气”思想来实现工艺介质的零逸出和零泄 漏。与普通机械密封不同，d g s 是以气体作为润滑剂，依靠密封端面上加工出的型槽， 实现端面间的非接触密封。此类密封具有较强优越性，如摩擦功耗低、可靠性高、辅助 系统简单、寿命长、无污染及维护费用相对较低等 2 3 。d g s 现己被广泛应用于炼油、 化工、医药和食品等行业的转子设备中。 通过在d g s 端面加工轮廓各异的型槽，改善端面间气流，从而提升润滑效果是d g s 设计较为有效和常见的方法 4 】。良好的型槽轮廓可以保证密封在启动、停车或工作条件 波动较大或速度较低时的端面及时开启；保证最小气膜厚度以避免干摩擦及端面磨损， 从而延长密封寿命；在高速高压工况下，减少端面变形致使的泄漏率增加、失稳等问题。 目前，关于d g s 的研究主要集中于高参数工况，也证实高参数工况下d g s 具有较 为稳定和可靠的工作状态，但同时暴露出一些问题 5 - 7 。例如，高参数下运转良好的单 向螺旋槽干式气体密封( s p i r a l d r yg a ss e a l ，简称螺旋槽密封或s - d g s ) ，在低参数工 况中稳定性较差，启动时易出现干摩擦和磨损等现象。这些都严重制约了d g s 的推广 应用，因此，研发性能全面的d g s 成为当今机械密封的热点。 本文研究受到2 0 1 1 年国家自然科学基金项目“基于飞鸟翼翅外形结构特征的干式 气体密封端面织构仿生设计研究”( 编号：5 1 1 7 5 4 7 0 ) 的资助，借鉴生物学飞鸟羽翼特 征几何轮廓，结合以往仿生学成功案例及现有d g s 原理及设计准则，对d g s 型槽进行 一系列仿生改良，提出d g s 型槽仿生设计方法。类似研究有利于完善d g s 型槽设计理 第1 章绪论论，使之更贴近实际运转工况、延长寿命、节能降耗及保护环境，同时也可缓解d g s运行中开启困难、稳定性较差、磨损严重等缺陷。1 2 国内外研究现状1 2 1d g s 研究现状根据密封端面开槽深度不同，可将密封分为深槽和浅型槽两类。其中深型槽密封槽深一般为毫米级，由于槽深较大，所以型槽自身的动压效应较差，主要利用流体静压效应和热流体动压效应，特别是密封环热变形产生的流体动力楔效应 2 】来改善密封面润滑状况；浅型槽密封槽深一般为微米级，以s - d g s 为代表，被广泛用于气、液等多种工况，其作用机理主要是利用端面间流体动压效应来平衡闭合力，实现非接触密封。( 1 ) 国外d g s 研究现状d g s 在开槽止推轴承基础上发展而来，上世纪2 0 年代，g u m b e l 便提出了螺旋槽止推轴承概念，随后，w i p p l e 在压力线分布基础上，研究了等间距排列的平面平行槽与平板间的流动关系。1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n l 8 1 采用复变函数保角交换理论，将螺旋槽模型转化为平面直线型槽，提出了较完整的螺旋槽轴承理论，随后，s n e c k 9 在此基础上进一步分析了螺旋槽各项几何参数作用，提出开启力大小与螺旋角、槽坝宽比有关，受惯性力影响大，压差影响小；泄漏率方面受槽深、惯性力影响大，压差影响较小。1 9 6 8 年，s t r o m等 1 0 】分析了螺旋槽相比普通型槽在流体动力特性、泄漏率的优势，以及不同材料端面螺旋槽的性能差异，证实螺旋槽拥有泄漏率低、稳定性好等性能优势，且静态特性与普通型槽没太大区别，总结出普通型槽泄漏率偏高的主要原因在于热变形引起的润滑性能降低。同时，密封端面材料对泄漏率也有所影响，硬质材料性能较好。1 9 7 2 年，s m a l l e y t l l j用有限元方法求解雷诺方程，得到功率、承载力、泄漏率及刚度等密封参数的计算方法，较好的解决了密封非对称和偏心问题。1 9 7 6 年，g a b r i e l 1 2 j 对s - d g s 的结构材料、安装方式等基本问题进行了总结分析，阐述了s - d g s 基本工作原理，研究并提出相关结构及操作参数对密封性能的影响规律，同时在综合考虑密封各项性能后，建议型槽螺旋角取1 0 3 0 。，槽台宽度比接近1 较为合适。1 9 9 3 年，b o n n e a u ) 3 用有限单元向前差分法求解了雷诺方程，分析s - d g s 二维稳态性能。2 0 0 0 年，z i r k e l b a c k 1 4 在以往研究基础上进一步讨论了s - d g s 几何参数对密封性能的影响，并指出了一些宏观参数( 如密封内外环直径、槽深等) 的重要性。d a d o u c h e 1 5 】等对s - d g s 整体几何参数进行分析，结果表 浙江工业大学硕士学位论文 明外径处受载荷、转速影响最大，膜厚随转速增大而增大，载荷反之，同比受温度影响 较小。2 0 0 1 至2 0 0 3 年，m i l l e r 和g r e e n 1 6 - 1 8 率先对s - d g s 气膜刚度与阻尼特性进行了 分析，提出了气膜不稳定的原因，并采用有限单元及有限体积法对d g s 动态特性进行 了系统研究。2 0 0 6 至2 0 0 7 年，t h o m a s 1 9 , 2 0 建立全新数学模型，考虑了惯性、热变形、 高压气体特性等因素，研究热弹流特性及变形对密封性能的影响。2 0 0 9 年，h i r o m u 【2 1 优化了s d g s 螺旋线形，并与原有型槽性能对比分析，证实优化后的外圆周曲率可大 幅提升密封稳定性、减小摩擦或提高承载力。2 0 1 0 年k h o n s a r i 2 2 在现有d g s 理论研究 基础上，尝试改变螺旋线细微轮廓来增强密封性能，通过改变螺旋转角，在不同载荷和 转速工况下与s - d g s 对比分析。m c c a r t h y 等【2 3 发现在涡流泵中镶嵌微型螺旋槽可提升 水泵性能、改善流态，可适应高速高压工况。 基于流体动力学理论，密封端面开设任何形状型槽都能产生动压效应，但不同轮廓 型槽产生的动压大小、泄漏率多少往往不一。目前，国际著名密封公司如j o h nc r a n e 、 b e r g m a n n 、f l o w s e r v e 等都有多种专利型槽 2 4 - 2 7 】，且己在工程实际中卓有成效。 ( a ) 两、 ，1 。 ，夕。，一、廿 j ，j jp ij 西j i j ；乡 ( c ) ( d )( e )( d ( a ) 、( b ) 分别为j o h nc r a n e 公司产品单向螺旋槽与双向圣诞树型槽，( c ) 为f l o w s e r v e 公司产品双 向t 型槽，( d ) 为鼎名单向槽，( e ) 、( f ) 分别为e a g l e - b e r g m a n n 公司产品单向v 型槽及双向u 型槽。 图1 1各密封公司型槽示意图 第1 章绪论 ( 2 ) 国内i ) g s 研究现状 自上世纪8 0 年代起，我国也逐步开展d g s 研究。顾永泉教授率先在国内发表了关 于d g s 原理及设计理论的专著2 卅。随后，彭建等以s - d g s 为对象，以d g s 最大刚 漏比为优化目标，研究了s - d g s 槽深、槽数、螺旋角、槽宽堰宽比及槽长坝长比对密 封性能的影响。吴宗祥等【2 9 对螺旋槽、圆弧槽及直线槽进行了端面几何参数优化。1 9 9 2 年，王玉明等 3 0 】成功采用“八”字形s - d g s 实现了d g s 的超高速、零泄漏和微磨损。 此外，彭旭东等【3 l 】采用有限单元法对s - d g s 不同约束、结构下，d g s 静环及配对 动环的力变形进行研究，证实约束条件对变形影响重大，合适的约束选择可大幅削减端 面变形及密封端面转角，以此提高气膜刚度增强性能。冯向忠、彭旭东1 3 2 , 3 3 1 建立了s - d g s 等温可压缩二维气体雷诺方程，将压力分布、密封开启力和气膜刚度与有关文献进行校 验，得出一系列几何择优值，确保了低泄漏下的高刚度。 尹晓妮 3 4 , 3 5 1 对中低速下s - d g s 进行了数值分析，考虑了气体滑移流或表面粗糙度 效应对密封性能影响，提出了中低速d g s 端面几何优化准则。随后，彭旭东【3 6 】利用有 限单元法比较计算f l o w s e r v e 公司新型带内环槽s - d g s 和普通s - d g s 的端面开启力、 泄漏率、气膜刚度和刚漏比等性能参数，证明前者具有良好的稳定性、润滑和开启性能。 谭丽丽【3 7 1 在此基础上，研究了槽深对带内环槽s - d g s 的影响。黄莉等 3 8 , 3 9 1 对普通s - d g s ， 带内环槽s - d g s 和雁型s - d g s 三种典型型槽端面d g s 的性能进行了对比分析，结论表 明雁形槽具有高稳定性，适用于低速低压或高速高压工况。之后，又专门就雁型槽密封 性能进行分析，用有限元法对其多个核心几何参数予以优化，并给出推荐值。 近期，张轩、宋鹏云 4 0 研究了t 型槽密封低速运转特性，分析了滑移流效应对膜厚 影响和滑移流效应下特征几何参数变化对端面开启力及泄漏率的影响。周剑峰等【4 l 】在考 虑热变形后，分析并优化了特征几何参数对s - d g s 性能的影响。朱卫兵等 4 2 a 3 1 利用 a n s y s 软件分析变形对t 形槽密封性能的影响，研究发现正锥度为变形所引起的最主 要失效方式。王兵等【删用数值模拟方法提出微观尺寸对s - d g s 性能的影响，低速工况 下，微观尺度的改变会增大泄漏率。王和顺等【4 5 j 依据流场特性改进s - d g s 性能，提出 新型变深s - d g s ，并采用a n s y s 从理论上验证其优越性。周飞等 4 6 分析不同孔型对密 封端面摩擦系数的影响，参与对比的孑l 型有圆孔、椭圆孑l 及三角孔。 综上所述，长期以来d g s 型槽设计已取得不少成果，但端面开启力不足、气膜刚 度较小等问题一直未得到有效解决。同时，现代数值模拟和试验测试技术的飞速发展为 浙江工业大学硕士学位论文 d g s 端面型槽设计、性能改良提供更多机会。反观d g s 研究工作仍沿用轴承设计与流 体润滑理论，端面型槽研发也一直处于比较盲目的探索阶段，缺少系统的d g s 型槽设 计理论与方法。因此，现阶段d g s 技术若要寻求突破，急需引入新思路，而仿生学作 为一门现代新兴学科，具有极强生命力，相信对d g s 性能改良具有指导作用。 1 2 2 仿生学研究现状 仿生学出现于上世纪中期，是一门模仿生物建造技术装置的新兴边缘学科。仿生学 研究生物体的结构、功能和工作原理，并择优移植于工程技术之中，进而发明性能优越 的仪器、装置和机器。从仿生学的诞生、发展，到现在短短的几十年里已硕果累累。仿 生学的问世开辟了向生物界索取蓝图的独特技术发展道路，大大开阔了人类眼界，已经 显示出极强的生命力。 ( 1 ) 国内外仿生学研究成果 任露泉院士工程仿生学经验丰富，率先提出了仿生摩擦学概念【4 7 】。随后，他提取并 分析昆虫表面微观结构，转而设计工程材料样本用以提高机械性能【4 8 1 。同时，他将生物 体表面非光滑织构用于铸铁、高速钢等材料表面，使材料性能大幅提升 4 9 , 5 0 。此外，路 甬祥院士也高度评价了工程仿生学的重要性，并提出了主要研究方向【5 l 】。 曲冰掣5 2 1 仿造鱼类等水生物表面织构，设计新型防水材料纹理。马建峰等5 3 1 分析竹 子结构特征，仿生设计高承载的新型结构原件。b a r t h l o t t 等 5 4 】借鉴荷叶表面微观结构， 研发了新型自清洗表面模型。 ( 2 ) d g s 仿生型槽研究成果 飞鸟羽翼的特殊构造为其生存创造条件，对飞行中承载力提升、减阻降噪等都有极 大优势。对不同时期、种类羽翼进行对比分析，发现鸟类也通过不断修正特征几何参数 来获取飞行性能最优。 l e n t i n k 等【5 5 】通过改变仰角及飞行速度，发现两者对鸟类飞行承载有较大影响。z h a n 5 6 】将飞鸟羽翼划分为三部分，经气动性分析调整三者面积比，发现翅中对飞行影响最大。 b a r n e w i t z 57 】对机翼模型予以优化，提出多个重要几何参数，同时弥补以往研究中厚度尺 寸定义的空白，并通过数值模拟确定了几何最优值。q u a n g 等 5 8 分析机翼模型转角参数 作用，以寻求性能较优值。g o t t f r i e d 等【5 9 通过对鸟类飞行羽翼c f d 模拟，确定了羽翼 最优轮廓，特别是羽翼夹角。m a k o t o 等 6 0 】严格定义蝴蝶翅膀的几何参数，通过数值模 拟及实验研究得出了最优轮廓。f r a n k 6 1 分析多种生物特征几何轮廓，并以此为灵感改 第1 章绪论 良现有机械结构。w i l l i a m 等【6 2 】以鲨鱼鳍、鲸骨骼、鸭蹼、脚掌吸盘，蜗牛壳螺旋线为 例，高度评价了仿生学的工程效用。v i n c e n t 等【6 3 】总结仿生研究的突出成果，并论述今 后工程仿生的主要方法和步骤。 由此可知，自然界中飞禽特别是鸟类的特殊结构将影响其飞行承载力及稳定性，类 似的，开启力及气膜刚度也是d g s 主要的性能参数之一。参考鸟类调整其翼展轮廓获 取较好的飞行性能，d g s 优良的型槽轮廓设计也将最直接地影响其密封性能。优秀的型 槽轮廓可大幅改善端面间气流、增强动压性能、减小摩擦磨损。结合二者，以优化干气 密封性能为最终目的，对干气密封型槽轮廓予以仿生改良成为本文重要研究方向。 ( 3 ) d g s 仿生型槽设计思路 首先，参考飞鸟羽翼基本轮廓。鸟类飞行姿态千奇百怪，与此对应的密封型槽也可 能具备相似功能。图1 - 2 ( a ) 所示的细长槽适合高速场合，如同雨燕、军舰鸟等高展弦比 羽翼适合高速飞行一样；图1 - 2 ( b ) 所示的粗短型槽适合釜、低速泵等重载工况，而鹰、 枭等宽大双翼也是为提高飞行承载力而进化得来【6 4 1 。基于仿生学理论，有机融合这些优 点，研制出同时适用于高低速工况的高品质型槽具有重要实际意义。因此，借鉴羽翼轮 廓特征，本文将尝试设计不同型槽轮廓以适应不同操作工况。 ( a ) 细长槽 c o ) 粗短槽 图1 2 仿生翼翅轮廓型槽 其次，参考鸟类各部分组合特点，如参考鸟类羽翼或尾翼协调、长度或角度等几何 特征参数，借鉴对其周围流体流态的有利影响，并基于仿生学原理，在密封端面开设类 似的型槽，通过控制固有特征几何参数对原有型槽予以改良，将有可能进一步提升现有 d g s 的工作性能。 浙江工业大学硕士学位论文 再次，特殊翼翅构造，如雨燕等。当它们在高空飞翔时，会完全伸展双翼，滑翔时， 调整翼尾形状，以提升承载力同时减少阻力，有助于它们毫不费力地滑行，搜捕猎物 6 5 1 。 图1 3 左侧图为雨燕滑翔时的躯体轮廓形状，右侧图为在它启发下研制的仿生飞行器。 图1 - 3雨燕与仿雨燕乜行器 雨燕通过调整翼尾长度，适应不同飞行环境，通过改善自身周围空气流动状况，保 证高速下的飞行稳定【6 6 1 。以此为灵感，研究人员研发相应仿生飞行器，大幅提升了飞行 器在高速飞行下的稳定性。它通过调整机翼角度和翼展长度来适应多种工况，而在密封 系统中，我们以保证密封高速运转下稳定为目的，也可以设计出类似轮廓的密封型槽。 然后，针对密封端面开启困难这一难点问题，类比鸟类羽毛分布。鸟类为获取最大 飞行承载力，羽毛往往呈多层叠加结构，并在多层间留有空隙，在外界气流速度不变的 情况下，空气从中流过产生干涉效应【67 1 。再者，多层羽毛结构将气流分离，减少气流冲 击作用，保证其飞行稳定。此类构造早己被成功应用于飞行器增升装置的设计。以此类 推，如若在d g s 型槽设计中，引入多翼槽分离等类似型槽设计，将有可能在原有型槽 基础上进一步提升密封开启力，并在高速工况下确保d g s 稳定运行。 最后，借鉴飞鸟羽翼厚度的不均匀构造，考虑d g s 三维流场特性，并为产生更好 的动压效应，尝试设计密封型槽深度随气膜压力变化的不等深结构。其中深槽部分利用 流体静压效应和热流体动压效应来改善密封面润滑状况，用以避免起停时端面干磨损； 浅槽利用动压效应平衡闭合力，实现端面稳定运行，以此大幅改善密封性能。 综上所述，仿生学作为新兴交叉性学科表现出强大生命力，将之与d g s 相关研究 结合，特别是借鉴飞鸟羽翼轮廓及结构对其飞行承载力或稳定性的提升，将为d g s 型 槽设计及性能研究开辟一个新思路。在以往研究中碰到的某些重点难点问题，或许可以 通过鸟类仿生型槽改良寻求到解决方法，所以，本文将紧扣d g s 型槽的鸟类仿生设计 开展研究，以此解决d g s 低参数工况下开启困难或高参数工况下稳定性较差等问题。 7 第1 章绪论 1 2 3 存在问囊 目前，针对多种d g s 型槽的性能研究已颇为完善，应用范围也较广，如螺旋槽、t 型槽及雁型槽等。同时仿生学作为- f - j 新兴学科，工程实际效用显著，并己在机械加工 行业取得不少成果。但二者研究中仍存在以下问题： 1 ) d g s 研究中，在低速、低压等操作条件下端面开启困难、稳定性差以及在高速、 高压等高操作参数工况下泄漏率较高或稳定差的问题仍然存在。 2 ) 仿生学及干气密封研究两大领域均成果颇丰，但在干气密封中借助仿生学原理 设计的研究和应用尚未见公开报道，迫切需要建立系统的干气密封仿生学设计理论。 为解决以上问题，本论文拟开展d g s 仿生学相关研究。借鉴仿生学原理，为d g s 型槽设计提供思路并完善相关设计理念。进一步满足大型机械设备对轴端密封高可靠 性、密封性和稳定性的要求，具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 3 研究内容 本课题旨在基于现有d g s 设计理论、仿生学原理及流体动力学理论，研究通过合 理的仿生设计，改良d g s 型槽几何轮廓，得出该类密封型槽较其他型槽的性能优势及 其适用工况，初步建立d g s 仿生型槽设计理论与方法。主要研究内容如下： 1 ) 基于仿生学和干气密封型槽设计理论，分析各类飞鸟羽翼特点，从中择取性能 突出者予以仿生几何重构，定义特征参数，总结规律。 2 ) 根据气体润滑理论，建立仿生型槽干气密封数学模型，用有限差分法进行数值 模拟。借鉴飞鸟翼尾轮廓特征，通过多翼槽叠加实现仿生模拟，分析仿飞鸟翼尾轮廓干 气密封型槽各特征几何参数对密封性能的影响规律。并以此为基础，对比仿生型槽与普 通螺旋槽性能差异，改进仿生型槽轮廓曲线，归纳仿生型槽特点。 3 ) 在仿飞鸟翼尾轮廓干气密封型槽基础上，借鉴飞鸟实际中不同的飞行姿态，数 值模拟研究并分析仿生型槽多翼槽间相连、分离、偏移或圆弧相连对其密封性能的影响， 完善干气密封仿生型槽设计理论。 4 ) 借鉴飞鸟羽翼厚度差异对其四周流体流态的影响，仿生设计干气密封三维不等 深型槽，通过数值模拟的方法印证干气密封仿生思路及其可行性，提高密封性能。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章鸟翼结构及干气密封仿生模型建立 飞鸟羽翼种类繁多，经自然选择演变为轮廓各异的外观形貌，用以适应不同环境。 鹰、秃鹫等大鸟，其羽翼宽大，适宜于高空飞行；海鸥、雨燕等海鸟常年生活于沿海， 羽翼修长、圆弧长比高。两者都依独特羽翼构造保证飞行稳定，而不受强风干扰。同时， 宽大羽翼能良好地借助自然上升气流增大升力，提高承载，节省体力便于捕食后携猎物 持久飞行。相对而言，拥有椭圆翼的麻雀等，只适于微风或无风环境中飞行，低圆弧长 比无法在恶劣环境中维持飞行稳定。翼展面积小，也无法提供足够升力满足承载需求， 因此只能通过频繁振翅予以弥补，导致续航能力差、耐力不足【6 0 1 。 实际飞行中，鸟类通过收展羽翼长度及调整羽翼角度，有效改变迎风面积，并以此 选择合适的飞行姿态：翱翔时，旋转双翼增大迎风面积，使气流作用下的升力最大化； 俯冲时，减小双翼有效面积，降低空气阻力使速度最大化，等等。同时，尾翼对羽翼产 生明显协同作用，平衡羽翼在滑翔或振翅过程中所产生的尾迹流，维持飞行平衡，使鸟 类可以适应强风等恶劣环境。 鸟类起飞时，通过振翅及下肢助跑提高升力与推力，当羽翼所产生的升力足以平衡 自身体重时，则停止助跑，使羽翼单独产生飞行中所需的升力与推力。以始祖鸟为例， 研究表明，助跑速度及羽翼几何轮廓共同影响鸟类起飞快慢 6 8 | 。 本章将详细总结鸟翼结构特点，并分析与干气密封型槽设计相似有利之处。 2 1 飞鸟羽翼特征几何结构分析 2 1 1 鸟翼轮廓特点 鸟翼一般分为椭圆翅、高速翅、细长翅和宽阔翅，它们都是为适应各自不同的生存 环境，经过上亿年的进化选择而来。当它们在飞翔时，我们可以清晰的发现都有各自特 点：鸽子、麻雀等椭圆翅( 图2 1 ( a ) ) ，展弦比较小，翅槽发达，适合快速起飞；雨燕等 高速翅( 图2 1 ( b ) ) ，展弦比适中，翼展短，飞行中灵活多变；军舰鸟、海鸥等细长翅( 图 2 1 ( c ) ) ，展弦比比高速翅稍大，但翼展长，适合在强风下飞行；鹰，秃鹫，枭等宽翅鸟 ( 图2 1 ( c 1 ) ，他们翅长且宽阔，翅顶有许多翅槽，在高空可以长时间滑行，承载力高【6 4 1 。 第2 章鸟翼结构及干气密封仿生模型建立 ( a ) 鸽子翅( b ) 海鸥翅 ( c ) 雨燕翅 ( d ) 老鹰翅 图2 - 1各类鸟翅膀轮廓 基于仿生学原理和几何重构法，并提取特征参数，为d g s 型槽仿生设计奠定基础。 鸟类展翅飞翔时，轮廓可分为翼、尾、躯干三部分，如图2 2 所示。其中“翼”最为重 要，宽大的翼展z l 或翼宽如，都有利于增加羽翼面积提高双翼承载力；羽翼掠角1 控制 翼展整体形貌，羽翼掠角较大呈短粗状，反之细长【6 9 1 。同时，“翼”分为内、外两部分， 期间出现二次转角, 0 2 、9 3 ，这类特殊的转角构造可改善气流，减小阻力并提高稳定性。 羽翼轮廓对飞行有直接影响，内翼相l l ； t - 翼& 更接近躯体，良好的内翼面轮廓设计 有利于气流流动，保证飞行稳定，提高承载【7 1 1 。“尾”即鸟类尾翼，是对“翼”的补充， 作用机理与翼相似，但主要用于弥补“翼”产生的尾迹流，确保飞行稳定 7 2 1 。“尾” 轮廓包括尾翼长1 3