（化工过程机械专业论文）单列双向螺旋槽干气密封的性能研究.pdf

摘要 与传统的轴端密封相比，干气密封具有介质泄漏量少、端面磨损小、能耗低、运行 寿命长和可靠性高等优点。目前，该类密封已被广泛用于离心式压缩机、离心泵、膨胀 机、气体透平机以及其它高速高压机器中。近年来，随着干气密封技术的不断发展，出 现了新的密封槽型单列双向螺旋槽干气密封。该槽型不但能产生较好的流体动压效 应，而且旋转方向不受限制，可以双向旋转，避免了由于反转及开、停车时造成的密封 失效，从而使单列双向螺旋槽干气密封的应用范围更加广泛，大大提高了它的研究和使 用价值。 本文应用计算流体力学( c f d ) 软件对单列双向螺旋槽干气密封端面间流体三维流 动及温度分布进行了数值计算。选取气膜为研究对象，建立了三维模型，然后通过网格 划分实现了从微观尺度到宏观尺度的快速过渡，通过求解三维n s 方程，得到了气膜的 压力分布、速度矢量分布、质点轨迹、涡量分布等，并在等闭合力的假设下，动环槽形 几何结构参数对密封性能的影响进行了理论研究；然后求解能量方程，得到气膜内及动、 静环内的温度场的分布，及端面温升的影响因素，并考虑了温度对粘度的影响，得到了 变粘度情况下的温度分布；文章还分析了压力、转速等因素对密封性能及温度场的影响， 并与单向螺旋槽密封进行对比分析。 通过模拟分析，证明了单列双向螺旋槽干气密封在不同工况下的良好的动压效果和 密封效果；根据流体的流动状况，从流动的角度解释了端面热量的产生过程，表明流体 膜温度升高主要是在高速旋转工况下，由流体内部的粘性剪切作用及压力梯度作用引起 的。这对实验研究有一定的辅助指导作用，并为密封结构设计及性能的优化提供参考， 为后续密封环的变形计算奠定基础。 关键词：干气密封，单列双向螺旋槽，流场，温度场，数值模拟 r e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fd r yg a ss e a lw i t hs i n g l e r o wb i d i r e c t i o n a l s p i r a lg r o o v e s l e n gx i a o ji n g ( 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 e s s o rh a om u m i n g a b s t r a c t c o m p a r e d 埘t l lt h ec o n v e n t i o n a ls h a f te n ds e a l s ，d r yg a ss e a lh a sm a n ya d v a n t a g e s i n c l u d i n gs m a l ll e a k a g e ，l i a l es u r f a c ea b r a s i o n , l o wp o w e rl o s s ，l o n gs e r v i c el i f ea n dh i 曲 r e l i a b i l i t y a tp r e s e n t ，d r yg a ss e a li sw i d e l ya p p l i e di nc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , c e n t r i f u g a l p u m p ，e x p a n s i o nm a c h i n e ，g a st u r b i n ea n do t h e rh i g h - p r e s s u r eo rh i g h - s p e e dm a c h i n e s i n r e c e n ty e a r s ，诵t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fd r yg a ss e a lt e c h n o l o g y , an e ws e a lp a t t e r nn a m e d s i n g l e r o wb i d i r e c t i o n a ls p i r a lg r o o v e sd r yg a ss e a li sp r o d u c e d t h i sk i n do fg r o o v e dd r yg a s s e a lc a nn o to n l yp r o d u c es u i t a b l ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r eb u ta l s or e v o l u t et w o - d i r e c t i o n a l l y , w h i c ha v o i d st h es e a ld a m a g el e db yt h ec o n t r a - r o t a t i o na n do p e n - a n d - c l o s ew o r k i n g ，c a u s e s t h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h es i n g l e - r o wb i d i r e c t i o n a ls p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lt ob em o r e w i d e s p r e a d , a n de n h a n c e si t sr e s e a r c ha n dt h eu s ev a l u eg r e a t l y d u et ot h ec o r r e l a t i o no ft h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r , t h et h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s t u d i e se m p l o y i n gc f ds o f t w a r ef o rf a c es i n g l e - r o wb i d i r e c t i o n a ls p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l a r e p r e s e n t e d f i r s t l y t h r o u g h t h e s t u d y o ft h es e l e c t e d p e r i o d i cg a sf i l m ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li ss t r u c t u r e do fw h i c ht h et r a n s i t i o nf r o mm i c r ot om a c r os i z ei s m a d eb ya d o p t i n gm e s he l e m e n t b ys o l v i n gt h r e e d i m e n s i o n a ln - se q u a t i o n s ，t h ef l o w p r o c e s sf r o me n t r a n c et oi n t e r f a c ec l e a r a n c ei sa n a l y z e di n c l u d i n gt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , t h es p e e dd i s t r i b u t i o n , t h ep a r t i c l et r a c ka n dt h es w i r l i n gd i s t r i b u t i o n a n dt h ei n f l u e n c eo f g e o m e t r i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h er o t o rt ot h ep e r f o r m a n c eo fs e a li st h e o r e t i c a l l ys t u d i e d 谢t ht h e a s s u m p t i o no ff i x e dc l o s u r ef o r c e s e c o n d l y ，b ys o l v i n ge n e r g ye q u a t i o nt h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do ft h eg a sf i l m ，r o t o ra n ds t a t o rr i n g sa r eo b t a i n e da sw e l la s t h ef a c t u r e sw h i c hi n f l u e n c et h eh e a tt r a n s f e r , a n dt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r et ov i s c o s i t yi s d i s c u s s e de s p e c i a l l y , a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d 、丽t l lt h ev a r i a b l ev i s c o s i t yi sp r e s e n t e d t h e e f f e c t so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ns e a l i n gp e r f o r m a n c ea r ed e t e r m i n e da n dc o m p a r e d 、析t 1 1 u n i l a t e r a ls p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，i ti sp r o v e dt h a tt h es i n g l e - r o wb i d i r e c t i o n a ls p i r a l g r o o v ed r yg a ss e a lh a v i n gs u i t a b l ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r ea n ds e a le f f e c ti nd i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no ff l u i df l o w i n g ，t h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e ri s e x p l a i n e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ew i t h i nt h ef l u i df i l mi s r e s u l t e df r o mt h ev i s c o u ss h e a ra n dg r a d i e n to fp r e s s u r e ，a n dt h e nt h eh e a ti st r a n s f e r r e d o u t w a r d sa c r o s st h eb u f f e rf l u i da n dt h es e a lr i n g s a n dn l e yc a nb ea v a i l a b l et oe x p e r i m e n t a l s t u d y , p a r a m e t e ra n dp e r f o r m a n c eo p t i o n a ld e s i g n so ft h es e a l s ，a n da l s ol a yt h ef o u n d a t i o n f o rs t u d y i n gt h et h e r m a ld i s t o r t i o no fs e a lr i n g s k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，s i n g l e r o wb i d k e c t i o n a ls p i r a lg r o o v e s ，f l o wf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 主要符号表 比热，j ( k g k ) 表面摩擦系数 闭合力，n 开启力，n 流动因子 流体的对流传热系数，w ( m ：k ) 槽深，l x m 非槽区膜厚，g r n 槽深膜厚比 槽长坝长比 焓，j k g 流体比焓，j k g 导热系数，w ( m k ) 流体的内热源 转速，r p m 槽的数目 摩擦力，n 流体静压 密封环内径处压力，1 v p a 密封环外径处压力，m p a 雷诺数 流体普朗特数 泄漏量，k g s 槽底半径，l n l n 密封环内径，i 1 1 1 1 密封环外径，1 1 l r l l 平衡半径，咖 温度，k 勺厂 r r 口 窃 乓 厂， 是 七 挎 m p 研 助忍 b 9 名 n r 速度矢量，m s ； 径向流动速度，m s ； 直角坐标系下，x 轴方向上的速度，m s 直角坐标系下，y 轴方向上的速度，m s 直角坐标系下，z 轴方向上的速度，m s 摩擦功耗，n ( m s ) 泰勒准数 槽径比 努塞尔准数 流体运动粘度，m 2 s 流体动力粘度，p a s 密度，k g m 3 螺旋角，t a d 旋转角速度，r a d s 应力张量 u 巧 ” v w 膨 劢 p m p p 缈 缈 = ， 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， 本论文不包含其它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： 盆幽日期：2 7 年台月乡日 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门( 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、缩印或其它 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：金直聱 指导教师签名：章臣互边址 文。 、， 日期：多矽罗年多月弓e t 日期：2 卯罗年舌月弓日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 机械密封主要用于解决流体机械旋转轴与机体之间的泄漏问题，是发展最迅速、应 用最普遍的一种密封技术，广泛应用于离心泵、压缩机、反应釜等需要严格控制泄漏率 的过程机械中。机械密封虽然只是一个很小的零部件，却起着至关重要的作用。尤其在 石油化工行业中，存在大量的高温高压热油类易燃介质，具有高温、高粘度、低自燃点、 高污染性等特性，此类介质一旦发生泄漏，将会引起着火，不仅造成大量的物质损失， 还带来严重的安全生产问题和环境污染问题。此外，机械密封还广泛应用于其它行业里 需要严格控制泄漏的旋转机械中。自从1 9 世纪末出现以来，随着现代工业的迅速发展， 人们对健康、安全、环保的要求越来越高，机械密封尤其是非接触式机械密封得到了广 泛应用和迅猛发展。 在非接触式密封中，螺旋槽密封应用最为普及。与其它槽形相比较，螺旋槽密封具 有更一致的压力分布，是一种更实用、更成熟的理论槽形。两密封端面被一层极薄的流 体膜隔开，不存在直接的摩擦和磨损，但高速旋转时产生的搅拌热及流体内部流动产生 的粘性摩擦热，仍会使密封端面温升过高，并可能出现如下问题： ( 1 ) 密封介质为液体时，端面液膜汽化造成液膜失稳，导致端面局部接触； ( 2 ) 密封环间的导热不均，形成较大的温度梯度，产生热变形，使平行间隙变成 锥形间隙，导致端面磨损、泄漏量增大； ( 3 ) 密封环的热应力过大，导致端面热裂( 热应力裂纹) ，造成热弹失稳。 这些问题将严重影响密封性能，使密封件使用寿命大大缩短，加之这种结构的不对 称性限制了它只能单向操作。而双向螺旋槽干气密封由于槽型的结构对称，可以实现正 反转，而且可以产生足够大的开启力使两端面分开，避免单向旋转在密封开、停车或者 反转时，造成密封端面磨损而导致密封失效。对原有螺旋槽机械密封的结构改进，能防 止高速转动带来端面的温升而引起的泄漏。因此，对其端面流场及温度场等参数的分析 就更为重要。 本文借助c f d 软件之_ f l i j i n t 软件强大的计算能力和成熟的模拟功能，对 单列双向螺旋槽干气密封端面流场进行了全三维数值模拟。模拟流体从进入间隙到流出 间隙的整个过程，并分析端面间流体的微流动形式与微传热形式。计算流体力学软件应 用于机械密封端面流场、温度场及压力场计算中，使计算速度加快，精度提高。 同时，计算流体力学可视化软件的应用，对不同槽型进行可视化模拟分析，使流动 第一章前言 动态模拟更加直观，便于观察流动的形成及发展，是常规实验无法实现的。分析流动对 温度场压力场的影响过程，进而控制温度及变形，缩短了研究时间，提高了工作效率， 为密封结构设计及性能的优化提供便利，也为后续密封环的变形计算奠定基础。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章文献综述 弟一早 义陬综尬 2 1机械密封发展历史及研究进展 机械端面密封( m e c h a n i c a le n df a c es e a l ) 是一种轴向端面密封，简称“机械密封 ， 又称“端面密封”，是常用的旋转轴密封，特别适用于一些工作环境比较恶劣的场合， 如高速、高温、高压、低温、有毒、真空、腐蚀性、易燃易爆等。机械密封技术直接影 响配套主机产品的质量和运行可靠性，是制约石化重大装备实现国产化的重要因素之 一。机械密封件与所有密封件的构成比例，在较大程度上反映了一个国家石化通用机械 行业生产技术水平的高低。据代表我国当代工业水平的石化行业统计，8 0 9 0 的离心 泵采用机械密封。工业发达的国家里，在旋转机械的密封装置中，机械密封的用量占全 部密封使用量的9 0 以上i l j 。 1 8 8 5 年世界上第一个机械密封专利出现在英国1 2 1 ，并于1 8 9 0 年用于轴承密封。2 0 世 纪初，出现了简单的端面密封，这在原理上是一个重大突破，解决了机器制造业中转轴 密封问题。同惯用的填料密封相比，无论在功能上还是构成原理上，机械密封都有着明 显的先进性。而后，1 9 1 3 年有了双端面机械密封专利；1 9 1 9 年单端面机械密封专利诞生， 标志着机械密封的迅速发展。 直至1 j 1 9 2 0 年，由于新工艺和新材料的出现，在提高了使用可靠性和寿命，降低了制 造成本之后，机械密封才逐步在许多冷冻装置上得到较多的使用。1 9 3 0 年以后，机械密 封用于内燃机水泵的轴封，此时只瞄达到了3 1 m p a m s 。在这一阶段，机械密封发展 的动力主要是机械加工和材料方面的技术进步【3 1 。 第二次世界大战前后，随着石油化工工业的发展以及材料和加工技术的提高，机械 密封技术有了较快的发展。1 9 5 4 年，出现了密封环用碳石墨、硬质合金、陶瓷等材料， 加工精度大为提高，密封端面精度由r o 0 4 岬提高到r 口为0 1 - 0 2 岬，并在石油化工 机泵中得到了广泛的应用。1 9 5 7 年，美国e g & gs e a l o l 公司研制出焊接金属波纹管 机械密封并获得了广泛的工业应用1 4 。 1 9 6 1 - 1 9 6 3 年，由于原子能工业的要求，在结构上出现了流体动压密封和流体静压 密封，使只瞄迅速提高到1 6 7 m p a m s ，1 9 6 9 年达到2 6 6 m p a m s 。在这阶段，主要发展 动力是密封端面间不同润滑机理的出现和与之相适应的新型结构的探索与开发。 1 9 7 1 - 1 9 7 4 年，由于宇航和核电方面的特殊要求，在结构上出现了多级密封，在材 3 第二章文献综述 料上出现了碳化硅和优质的不同浸渍材料的碳石墨，使只瞄达到了3 6 0 m p a m s ，1 9 7 7 年由于核电等特殊需要采用螺旋槽一机械密封组合的密封、改进的中间浮动环密封、浮 环一机械密封组合密封等，使最高只瞄达到了5 0 0 m p a m s 。这一阶段，发展的主要动力 是结构重组和密封新材料的出现。 1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，随着人们环境保护意识的提高，研制出了“零泄漏机械密封。在 流体动压密封原理的基础上，开发出了热流体动力楔机械密封和上游泵送机械密封。在 保证密封性能的同时，为了获得较长的使用寿命，利用自动控制理论，人们开发出可控 机械密封。1 9 9 0 年以后，机械密封只瞄达到了5 7 0 0 m p a m s 5 1 。这一阶段，发展的主要 动力是密封原理的发展和控制理论的支持。 普通机械密封泄漏量较大，又不能长周期运转，主要由于密封端面的摩擦工况及密 封机理。由此也提出了许多理论，如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 理论以及相变理论【6 】。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，但 是在密封端面间狭小的界面上存在着摩擦、磨损、变形和腐蚀等许多复杂的物理、化学 过程，虽然通过合理的结构设计和正确的材料选择，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，但是要从根本上解决机械密封摩擦、磨损与 泄漏量之间的矛盾是不大可能的。目前无论是理论分析还是实验研究都还十分困难，机 械密封的设计和使用迄今还大都依赖实验和经验。 为了从根本上改善密封端面间的润滑状况，人们设想在两端面间形成具有一定刚度 的流体膜将两端面分离而成为非接触式机械密封，此时密封面问的摩擦只有流体间的内 摩擦，这必将极大地延长机械密封的使用寿命。上世纪六十年代后期，h s c h e n g 及 i e t s i o n 等人发现密封端面变形出现的锥度，可产生流体静压力，使密封端面分离形成非 接触机械密封【7 一。但是，由于形成锥度的原因很多，且在运行过程中不断发生变化， 很难对锥度做出正确的预测和控制，工程实践中机械密封的运行稳定性较差，因而主动 利用锥度的机械密封应用并不广泛。与此同时，人们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、斜面和孔等来主动利用流体动、静压特性的研究日益深入， 并取得不少突破性进展。 按照在密封端面上开槽的深度分为开深槽和开浅槽两大类【9 】。端面开深槽机械密封 是在密封端面上开出深度为1 2 m m 的周向沟槽，在力变形和热变形的作用下，密封面上 产生周向波度和径向锥度，波度的波幅为p m 数量级。由于密封面流动边界的波动，在 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 动环的牵引下产生流体动压效应，同时径向锥度将产生流体静压承载能力，此时密封副 两端面在动、静压力的作用下分开而成为非接触型机械密封，端面的润滑状况得到改善， 这就是所谓的热流体动力楔机械密封。由于其密封机理复杂，涉及到力变形、热变形及 流固耦合诸多问题，因此研究进展缓慢，其设计和应用大多数依赖经验和实验。近年来， 国内部分学者【协1 1 】已进行一些富有成效的实验研究和理论分析，但尚无此类机械密封的 规模设计和生产能力。 端面开浅槽机械密封是在密封端面上开出微米数量级槽，依靠密封端面间有相对运 动及其槽的台阶效应和输送效应，产生流体动压力，来平衡闭合力，实现密封端面的非 接触。此类密封通常在端面上设置雷利台阶、斜平面及其他各种槽型。工业中应用最广 泛的是端面开槽型密封，其槽型有螺旋槽、圆弧槽、直线槽、八字形槽、人字形槽等形 状。 端面开浅槽机械密封可用于液相或气相介质，即液膜密封和气膜密封。液膜密封发 展较早，在早期工业机械中应用较多，但发展比较缓慢。目前，典型的液膜密封主要为 上游泵送机械密封。上游泵送密封的端面流体动压槽是把由高压侧泄漏至低压侧的被密 封液体重新反输至高压侧，以消除密封介质由高压侧向低压侧的泄漏【1 2 1 。这种密封通常 用于压力较高的旋转流体机械轴封，或与其他密封组合用于高粘度、含固体颗粒介质的 停车密封以及高速旋转机械的轴承密封等；与液膜密封相比，气膜密封具有泄漏率低、 密封寿命长、运行维护费用低、经济效益显著等优点。气膜密封的典型形式为干气密封 1 3 1 ，即“干运转气体密封( d r yr u n n i n gg a ss e a l s ) 是将开槽密封技术用于气体介质的 密封。当端面外侧开设有流体动压槽( 2 5 1 0 m ) 的动环旋转时，流体动压槽把外径侧( 称 之为上游侧) 的高压隔离气体泵入密封端面之间，由外径至槽径处气膜压力逐渐增加， 而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜( 1 3 i _ u n ) ，从 而使密封工作在非接触状态下。所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通 道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。自1 9 7 6 年人们第一次将带螺旋槽的气体端面密 封应用于天然气管道压缩机上至今【1 4 1 ，气体端面密封已经成为一种低泄漏率、低磨损、 长寿命的最理想的高效密封。目前已广泛应用于石油天然气、化工和航空等重要工业行 业中，尤其是在一些大功率、高压差、高转速的大型流体机械中发挥着不可替代的作用。 5 第二章文献综述 2 2 干气密封流场流动的研究状况 2 2 1 理论研究状况 干气密封是在气体止推轴承理论研究的基础上发展起来的，其研究可以借鉴己有的 气体止推轴承方法及理论。1 9 2 5 年，德国得l g o m b e l 首先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。一般认为，其主要发展是从w i p p l e 的窄槽 理论开始的【1 5 】。1 9 5 1 年，w i p p l e 提出了一种理论，用于解可压缩或不可压缩流体的基 本动力润滑方程，即w i p p l e 窄槽理论。他把轴承简化为两平行平面，其中一平面带有 循环的倾斜平行直槽，假定槽台很窄，不计复杂槽部的环境边缘影响，流体局部不可压 缩，应用质量守恒定理导出了压力微分方程。1 9 5 8 年，s c o b e l 等人第一次在密封中实现 了全流体润滑。1 9 6 3 年，v o h r 和p a n 拓展了w i p p l e 的窄槽理论，将其应用于非平行板 上带有非平行直槽的轴承，导出了任意槽的压力分布微分方程，并考虑了瞬态效应的影 响【1 6 l 。1 9 6 4 年m u u d e r m a n 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 旋槽模型转化成平行直线槽模型，并重点考虑了槽端部的影响，提出了较完整的螺旋槽 轴承理论，解决了螺旋槽轴承的理论计算，并于1 9 6 6 年出版了螺旋槽轴承一书【l ， 但w h i p p l e 和m u i j d e r m a n 只研究了层流、稳态的流体规律。 1 9 6 7 年，e a m u o d e r m a n 通过修正大的槽台间隙比，采用模拟方法，提出了环境边 缘效应修正的近似理论【l8 】。1 9 6 8 年，e l o r d 用渐近展开与匹配的方法，给出了平均压力 值的广义w h i p p l e 方程及广义m u o d e r m a n 的环境边缘压力修正。e l o r d 考虑了槽台的周 期性，对一系列局部平均压力，导出了序列的微分方程。其零阶微分方程与平行板直槽 下的v o h r - p a n 微分方程相一致，而且也适用于任意截面形状的槽台【1 9 1 。然而，以上这 些方法都不能摆脱窄槽理论中对于跨槽台的压力线性分布的假定，对于气膜润滑，无法 反映出其局部可压缩性的影响。 1 9 6 8 年j o l l n c r a n e 公司研制圆弧面螺旋槽非接触式机械密封，获得u s 专利，并在 第四届国际流体密封会议上发表了用于非接触式端面密封的流体动静压混合原理的论 文，而且获热变形与力变形补偿的气体端面密封专利。随后的几年内该公司研制出平面 螺旋槽非接触式气体端面密封，并在现场应用【l 】。1 9 7 3 年g a r d n e r 实验研究了水润滑螺 旋槽机械密封的性能，并将研究结果应用于潜水利2 0 1 。 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着计算机技术的飞速发展，人们能够比较精确地模拟密 封端面间气膜的流场，这为螺旋槽干气密封的开发、设计提供了重要手段。1 9 7 4 年螺旋 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 槽干气密封首次成功地应用于炼油厂的透平膨胀机上，标志着其工业应用的开始2 1 1 。在 此基础上s h a p i r o 及w a f o w i t 等【2 2 】在研究高速液氧透平泵的螺旋槽气体端面机械密封中 考虑了惯性力的影响。由于该方法的简洁实用而获得广泛的应用，一直沿用至今。8 0 年代中期以后，国外螺旋槽干气密封已基本成熟，被广泛应用于离心式压缩机等高速旋 转机械上。2 0 0 1 年，b r a d l 2 3 1 等对螺旋槽气体端面密封进行了动态分析并推导了适用的 数学公式。 国内，从上世纪9 0 年代初开始引进这种先进的密封技术，并开展了一些研究。王 建荣、蔡文新和彭建等对此作了很有意义的工作。这些工作为国内干气密封产品的研究、 开发以及国外产品的国产化提供了有益的参考。 2 2 2 数值分析法研究状况 干气密封的研究，必须求解其相应的控制方程，但控制方程是一个偏微分方程，无 法直接求解，解析法又不得不作必要的简化，随着计算机的出现和数值分析方法的发展， 使得求解控制方程成为可能，数值分析成为研究开槽机械密封、轴承等性能的强有力的 手段，并日益占据主导地位。总体上分为有限差分法和有限元法，这两种方法在计算精 度、计算复杂程度和计算成本上均有各自优缺点。 2 2 2 1 国外研究进展 早在1 9 6 7 年，j a m e s 等用有限差分法研究了气体润滑螺旋槽平面推力轴承的性能， 采用坐标变换法解决了螺旋槽曲线边界应用有限差分所遇到的困难2 4 1 。1 9 6 9 年，j o h n z u k 等利用有限差分法计算了螺旋槽机械密封的流场和压力场，分析表明当槽深与槽宽 之比小于1 8 时( 一般的浅螺旋槽机械密封均能满足此条件) ，横截面涡流的影响可以 忽科2 5 1 。1 9 7 0 年，r e d d i l 2 6 】等对可压缩性气体润滑问题的稳态特性进行了有限元分析。 1 9 7 9 年，m u r a t a 等【2 7 1 利用势流理论，建立了螺旋槽轴承的二维模型，用数值分析方法 计算了速度场和压力场，并与近似解析结果作了比较。 随着工业的发展，密封工况要求越来越高。速度的增大，使流体惯性的影响不断增 强，最终将导致流态改变，并伴有发热现象；高速旋转引起的动静环及轴的振动对稳定 性影响极大【2 引。此时，二维模型已不能满足工程计算需要。9 0 年代以后，开始建立如 图2 1 所示的三维模型，以研究密封端面内的三维流动。1 9 9 3 年，b o n n e a u 等2 9 1 建立了 等温状态下的三维模型，分析了低速和中速操作条件下稳态螺旋槽气体端面密封的压力 和泄漏量等性能。c h i l d s 在以往润滑方法的基础上考虑了惯性力的影响，对密封非稳态 7 第二章文献综述 三维流动进行了简化计算，分析了动环旋转引起的振动对流动的影响【3 0 1 。b r a u n 和 d z o d z o t 3 1 1 建立三维模型，用多元有限体积法求解三维n s 方程，对流体动压槽内的三 维流动进行了研究。k u d r i a v t s e v 和b r a u n l 3 2 1 应用三维槽堰区模型，研究了泵入式螺旋槽 密封中槽堰区的流体流动。 z 弹 s 幽 斋锄 r m 亡= = = 图2 - 1 非接触式密封的三维模型 f i g2 - 1 t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fn o n - c o n 切c t i n gs e a l 近年来，有限元技术发展迅速，应用范围越来越广，先后出现了专门的流体有限元 分析计算软件，采用这些软件进行辅助计算已成为一种趋势，其计算精确、模拟直观等 优点受到工程计算的青睐。 2 0 0 0 年后，s h i f e n gw u 和r a yc l a r k t 3 3 1 用计算流体动力学求解螺旋槽气体端面密封 的完全n a v i e r - s t o k e s 方程，并求解了螺旋槽气体端面密封几何参数对密封性能的影响， 使用f l u e n t 商业软件建立密封端面气体三维计算模型，得出密封端面气膜的压力场 和速度场，分析了槽位于动环端面和静环端面两种结构的密封性能，并考虑了惯性力的 影响。z i r k e l b a c k f 3 4 】采用有限单元法求解螺旋槽气体端面密封在等温状态下的非线性 r e y n o l d s 方程，用一阶压力场求解开启力、泄漏量、轴向气膜刚度和阻尼系数，并对密 封端面几何参数( 包括槽数、螺旋槽角、槽深等) 对密封性能的影响进行了研究，最后以 最大端面比压为目标对其几何参数进行优化。k u d r i a v t s e v 和b r a u n 3 2 1 采用c f d a c e + 软件，求解全三维n s 方程，研究泵入式螺旋槽密封中的流体流动形态，并得到了近似 实际操作条件下螺旋槽密封的速度场和压力分布。b r a u n 等删又应用c f d a c e + 软件对 手指密封建立基于n s 方程的三维模型，计算端面温度、变形及动态性能，并模拟了气 体在密封中的流动过程。 8 中目石油 学( 华东) 硬i 学位论文 2 222 国内研究进展 1 9 9 3 年，王美华、董勋1 3 6 1 利用有限元法求解简化的n - s 方程，得到考虑离心力的 动压式可控膜机械密封油膜压力分柿，并以考虑离心机双端面人字形螺旋槽机械密封为 例进行了计算。得出：对于槽深、膜厚不太大的非接触式机械密封，惯性力对流体流动 的影响很小的结论。 2 0 0 2 年，林培峰口1 应用有限元法计算了螺旋槽干气密封压力分布，利用伽辽金法 对控制方程的求解，分析了螺旋槽干气密封。自行开发编制了使用任何槽型干气密封性 能分析的有限元软件。该软件采用c _ l _ 语言。 2 0 0 4 年，王和顺等叫对径向直线槽干气密封端面流场进行了数值模拟，重点对端面 压力分布进行了分析。得出的结论：( 1 ) 径向直线槽千气密封端面压力分布与槽形密封相 关，在气体流八( 出) 的槽台交界处压力达到峰值。( 2 ) 适当端面结构的径向直线槽干气 密封能在端面间形成使两端面分离的开启力。( 3 ) 有密封坝结构径向直线槽相对无密封 坝结构径向直线槽能产生更大的开启力，同时具有更小的泄漏量。 2 0 0 5 年，南小妮、周昆颖等1 3 ”采用了通用计算流场分析软件，使用g a m b l t 软件 建立三维计算模型并划分网格，基于三维n s 方程，选用r n gk 吒湍流模型与s i m p l e c 算法，对螺旋槽气体密封的三维流场进行了数值研究。通过验证，表明流场的数值计算 结果与文献中的试验值吻合较好，模拟了气膜场的压力分布。 ? 。 o 图2 - 2 螺旋橹于气密封气膜压力分布 f 电2 - 2 g a s t d m p 嘲s - r e d i s t r i b u t i o no f s p i r a lg r 蜘v cs e a l 2 0 0 7 年，许鹏先、潘琦等【4 “根掘微小尺度流动的特性，引入滑移边界条件，对于 气密封进行了数值模拟，得到了比非滑移边界条件和假设流体为层流时更为精确的压力 场分布，如图2 - 2 。采用f l u e n t 更好的证实了干气密封压力最高的位置处于坝区的迎 第二章文献综述 风面，气体在螺旋槽内的压力由外径向内径逐渐升高，其中在螺旋沟槽和密封坝之间的 过渡区存在较大的压力降；滑移边界条件下的模拟结果具有良好的周期性，各个周期的 过渡性也更加平滑，与实际情况更加接近。 2 2 3 实验法研究状况 由于密封端面间隙非常小，所以密封流动及传热实验测量非常困难，发展也相对缓 慢。1 9 6 6 年，m u o d e r m a n 提出窄槽理论后，并作了陶制螺旋槽止推轴承的空气压缩机 实验。1 9 9 1 年，b r a u n 等人【4 i 】实验测得刷式密封的速度和压力分布，并对结构内复杂的 流场进行了模拟。实验中用到的流场模拟技术是由b r a u n 等人为了研究流体动静压轴承 微小间隙中流动提出的全流场追踪技术，由激光测量、拍照并计算得到速度、压力分布， 最后通过计算机终端实现可视化。t e x a sa & m 大学涡轮机械实验室的m o r r i s o n 于1 9 9 4 年利用激光多普勒测速仪( l d v l d a ) ，对密封流场开展了大量的三维测量工作。1 9 9 7 年，m o r r i s o n 4 2 l 又对环形密封和迷宫密封的速度场进行了测量，数据显示密封内有明显 的回流现象；通过压力传感器的测量，得到了壁面的压力和剪切应力分布。a r g h i r 4 3 1 x 寸 涡动环形密封进行了三维l d a 测量，并把测量结果和准稳态小扰动模型的数值结果进 行比较，发现在压力分布和壁面剪切应力分布上都相当吻合。 2 3 干气密封温度场的研究状况 在机械密封中，由于摩擦和搅拌产生热量会使密封端面温度升高，这就带来了许多 问题，例如出现密封端面间介质气化、密封环变形、热磨损，甚至引起热冲击和热裂等 问题，为了保证机械密封长期稳定、可靠地运转，必须首先掌握各部分的受热情况，主 要是摩擦副和端面的温度及其分布，然后采取控制温升的措施，因而机械密封温度场的 计算，对分析机械密封性能极为重要。同时温度场又是计算密封变形的基础，因此，近 年来，国内外在此方面的研究呈现了新的趋势。 2 3 1 国外研究进展 1 9 9 8 年，s l a m a c k h 和s o u l i s a 删等人基于计算流体力学理论，采用s i m p l e r 算法，计 算了密封系统温度分布和热传导系数并与l e b e c k 试验结果进行比较，得出数值计算与实 验值之间的差别主要来自作用面热源的计算。认为密封径向和轴向的温度梯度是影响端 面间隙和密封性能的主要因素，并提出密封腔内温度分布除了密封座部位基本是均布 的，随着旋转速度的增加，最高温度同接触面流体平均温度的差减小。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 1 9 9 9 年，p a r v i zm e r a t i 掣4 5 】建立了一个轴对称二维计算模型，用以预测机械密封腔 内的流动场及动静环内的温度分布。采用水为流动介质，等径密封腔，湍流强度为4 的k - e 模型。此模型是用来确定密封件湿表面的努塞尔数( n u 数) 。n u 数用于计算密封 面上的温度分布，计算结果表明，流动变化最大的程度发生在动环表面靠近动静环交界 处。结果还表明，密封表面越靠近内径处温度越高，这是由于靠近轴套周围有空气空隙， 其对流传热较差造成的。作者同时改进了数值计算的计算能力，使之能用于不同工作条 件下的不同密封设计。计算过程由商用软件f l u e n t 完成。 2 3 2 国内研究研究进展 李纠倒等利用解析法建立了机械密封环稳态温度场模型。他们的计算只适合密封环 截面为矩形的情况，没有给出对流传热系数的计算方法，而是采用实验值。陈文毅 4 7 1 采用同样的简化，建立了有限元计算模型，用三节点三角形单元有限元法计算了机械密 封的稳态温度场，把动静环及其环座作为一个整体进行计算，对流传热系数采用试验值。 法元金【4 8 】给出了6 结点和8 结点三角形等参单元的有限元模型，并编制了f o r t r a n 语言 计算程序，该程序可以求解各种传热边界条件的机械密封温度场问题。 1 9 9 0 年，张书贵【4 9 】也利用有限元法对机械密封环的稳态温度场进行了计算。把动 静环作为一个整体，这样省去了密封环间热量分配的麻烦，简化了计算。并对对流换热 系数和摩擦热进行计算。得到几点结论：( 1 ) 密封环的换热系数即使在较大范围内变动 时，密封环问的热量分配主要取决于密封环材料的导热系数；( 2 ) 端面上的平均温升与 摩擦热成正比关系。降低摩擦热是防止平均温升过大的有效措施之一；而减少摩擦热的 途径是降低摩擦系数和减少端面比压。从降低端面稳定的角度出发应该把导热性能好的 材料做动环；( 3 ) 密封环内的温降主要集中在端面附近，而且轴向的温度梯度比径向温 度梯度大。 1 9 9 4 年，顾永泉【i 】利用有限差分法计算了机械密封的温度场，缺点在于对于复杂端 面的机械密封来说，计算过程过于繁琐，不利于计算机处理。 1 9 9 5 年，朱孝平等【5 0 】分析了混合摩擦状态下双端面机械密封的传热特点，建立了端 面温度分布的简化模型，并用数值方法计算和分析了闭合力、锥度、表面纹理等因素对 端面温度分布。 1 9 9 6 年，彭旭东