（机械制造及其自动化专业论文）压缩机用t型槽干气密封技术的研究.pdf

西华大学硕士学位论文压缩机用t 型槽干气密封技术的研究机械制造及其自动化专业研究生宋远红指导教师王进戈压缩机用干气密封的可靠性对于实现生产装置的安全、稳定、长周期运行以及生产经济效益最大化至关重要。近年来，随着密封技术的不断发展，出现了新的密封型式- t 型槽干气密封。其密封原理是：当密封端面副间有相对运动时，槽的泵送效应和台阶效应使密封气体产生流体动压效应，在两密封端面副间形成稳定的有一定刚度的气膜，这层气膜保证密封工作在非接触状态，同时使密封泄漏量从理论上可达到零泄露水平。与传统机械密封相比，t 型槽干气密封具有泄漏量少( 理论上甚至可达零泄露) 、端面磨损小、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、离心泵及其他高速高压设备中。t 型槽干气密封除了同螺旋槽一样能产生较好的流体动压效应外，其旋转方向还不受限制可以双向旋转，这避免了由于反向旋转而造成的密封失效，从而使t 型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。目前密封领域对干气密封的研究主要是针对螺旋槽型，对t 型槽等其他槽型的研究非常少，每一种槽型都有它的适用范围，实践中应根据具体的工况来选择合适的槽型，因此对t 型槽等其他槽型的研究非常有必要。在大量参考螺旋槽干气密封文献基础上，本文以t 型槽干气密封为研究对象，主要对它的气膜流场进行求解、分析。本文的主要工作是对t 型槽干气密封端面间气膜流场进行建模、确定计算区域及推导其控制方程，采用目前市面上比较流行的计算流体动力学( c f d )软件包f l u e n t 对t 型槽干气密封气膜流场进行数值求解、分析，求解得到了密封端面间气膜压力场分布，在此基础上推导了密封特性的主要性能参数( 如：西华大学硕士学位论文开启力、密封泄露量、气膜刚度、功耗等) 的计算式，并且还就影响密封稳定性和密封性的工况参数和槽型几何参数对密封性能的具体影响进行了分析讨论，得到了部分槽型几何参数的较佳值( 如：槽数n g 为1 2 1 6 之间，密封坝长比l 为0 4 o 6 ，槽深h 。为4 q s i t m ) ，这些较佳值为工程设计提供了一定的指导和参考价值。由于l 型槽和t 型槽的结构非常相似，本文对这两种槽形的密封性能进行了一定的分析比较，得出了t 型槽的密封性能略优于l 型槽的结论。关键词：t 型槽；干气密封；f l u e n t ；有限体积法( f v m )西华大学硕士学位论文t e c h n i c a lr e s e a r c ho nt h et - g r o o v ed r yg a ss e a l so ft h ec o m p r e s s o rm a j o rm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o nm a s t e rc a n d i d a t es o n gy u a n h o n gs u p e r v i s o rw a n gj i n g ei ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e l i a b i l i t yo ft h ed r yg a ss e a l sf o rt h ec o m p r e s s o rt or e a l i z et h es a f e t y ，s t a b i l i t y , t h el o n gp e r i o dw o r ka sw e l la sp r o d u c i n ge c o n o m yb e n e f i tm a x i m i z a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e a lt e c h n o l o g y ,an e ws e a lp a t t e r n ，n a m e dt - g r o o v ed r yg a ss e a l ，i sp r e s e n t e d t h ed r yg a ss e a l s p r i n c i p l ei st h a tw h e nt h es e a lf a c e sh a v et h er e l a t i v em o t i o n ，t h ep u m pe f f e c ta n dt h es t a i re f f e c to ft h eg r o o v ec a u s et h eg a st oh a v et h ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t ，f o r m i n gt h es t a b l ea n dc e r t a i nr i g i d i t yg a sf i l mb e t w e e nt h et w os e a lf a c e s ，a n da s s u r i n gt h en o n - c o n t a c tc o n d i t i o no ft h eg a ss e a l s ，a n ds i m u l t a n e o u s l ya c h i e v i n gz e r or e v e l a t i o nl e v e lt h e o r e t i c a l l ya b o u tt h es e a ls p i l l a g e c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a ls e a l s ，t - g r o o v ed r yg a ss e a lh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l ll e a k a g e ，l i r l es u r f a c ea b r a s i o n ，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 ，t h i ss e a li sw i d e l ya p p l i e dt oc 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 lp u m pa n do t h e rl l i g l l - p r e s s u r ea n dh i 曲- s p e e dm a c h i n e s l i k et h es p i r a lg r o o v eg a ss e a l ，t - g r o o v ed r yg a ss e a lc a na l s oh a v et h eg o o df l u i dd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t ，a n dm i g h tb i d i r e c t i o n a lr e v o l v i n g ，t h i sa v o i dt h es e a ld a m a g ew h i c hc r e a t e da sar e s u l to ft h ec o n t r a - r o t a t i o n ，t h i sc a u s e dt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h et g r o o v ed r yg a ss e a lt ob em o r ew i d e s p r e a d ，e n h a n c e di 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 a tp r e s e n tt h er e s e a r c ho nd r yg a ss e a li st a r g e t e dm a i n l ys p i r a lg r o o v e si nt h es e a l sa r e a s ，t h er e s e a r c ho nt g r o o v ea sw e l la st h eo t h e r si si i i西华大学硕士学位论文v e r ys m a l l ，b u te a c hh a si t sa p p l i c a b l es c o p e ，c h o o s i n gg r o o v es h o u l db eb a s e do ns p e c i f i cc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt op r a c t i c e ，a n ds oi ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ht 。g r o o v ea n dt h eo t h e r s b a s e do nt h em a s s i v es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a ll i t e r a t u r e s ，t h i st h e s i st a k e st - g r o o v ed r yg a ss e a l sa st h eo b j e c to fs t u d y ，a n dm a i n l yc a r r i e so nt h es i m u l a t i o na n a l y s i st ot h et g r o o v ed r yg a ss e a lg a sf i l mf l o wf i e l d t h ep r i m et a s k so ft h i st h e s i sa r et h em o d e l l i n go ft h eg a sf i l mf l o wf i e l do nt - g r o o v ed r yg a ss e a l s ，t h ed e t e r m i n a t i o nt oc a l c u l a t i n gt h er e g i o n ，t h ed e v e l o p i n go fi t sc o n t r o l i n ge q u a t i o n s ，t h en u m e r i c a la n a l y s i sa b o u tt - g r o o v ed r yg a ss e a lg a sf i l mf l o wf i e l db ym e a n so ft h eq u i t ep o p u l a rc o m p u t a t i o n a lf l u i dh y d r o d y n a m i c s ( c f d )s o f t w a r ep a c k a g ef l u e n ti nt h ep r e s e n tm a r k e tc o n d i t i o n b a s e do nt h er e s e a r c h e sa b o v e ，t h i st h e s i so b t a i n st h eg a sf i l mp r e s s u r e f i e l dd 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 s ，i n f e r sm a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e rc o m p u t a t i o no ft h es e a lc h a r a c t e r i s t i c ( f o re x a m p l eo p e n i n gf o r c e ，s e a lr e v e l a t i o nq u a n t i t y , g a sf i l mr i g i d i t y , p o w e rl o s sa n ds oo n ) ，a n a l y z e ss e a lp r o p e r t y sc o n c r e t ei n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i n gm o d ep a r a m e t e ra n dt h eg r o o v eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro nt h es e a ls t a b i l i t ya n dt h el e a k p r o o f , o b t a i n st h ep a r t i a lt r o u g hg e o m e t r i cp a r a m e t e rg o o dv a l u e ，a n dt h e s eg o o dv a l u eh a sp r o v i d e dc e r t a i ni n s t r u c t i o na n dt h er e f e r e n c ev a l u ef o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n d u et ot h es i m i l a r i t i e so ft h es t r u c t u r eo fl g r o o v ea n dt - g r o o v e ，t h i st h e s i sh a sc a r r i e do nc e r t a i na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt ot h es e a lp r o p e r t yo ft w og r o o v e s ，o b t a i n i n gs e a lp r o p e r t yo ft h et - g r o o v es l i g h t l ys u r p a s ss e a lp r o p e r t yo ft h el g r o o v e k e yw o r d s ：t - g r o o v e ；d r yg a ss e a l ；f l u e n t ；f i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m )i v主要符号说明：闭合力，n：开启力，nf o ：无量纲开启力l l g ：槽深，p a nh 0 ：非槽区膜厚，t r nk z ：气膜刚度，n mk z ：无量纲气膜刚度m o ：摩擦扭矩，n mm o ：无量纲摩擦扭矩n g ：槽数q ：泄漏量，m 3 l lq ：无量纲泄漏量r 9 2 ：槽中径半径r i ：密封端面内径，l 姗r o ：密封端面外径，n l r nr g ：槽底半径，r n i na ：压缩数，a = 6 t w r 2 ( p 。)缈：功耗，w7 0i ：气体常数，n m ( k g i qp ：气膜压力，m p ap 。：大气压力，m p ap o ：密封端面内径压力，m p ap i ：密封端面外径压力，m p ap ：无量纲气膜压力p r a t ：压力比，p r a t = p i p ot ：介质温度，k心：t 型槽槽底周向宽度，r a d心：t 型槽中径周向宽度，r a d：槽周向比，r e = w ：w万：槽深比，万= 唿玩l ：密封坝长比j = ( 名一，；) ( 一，：)t ：槽径向比，t = ( - r ：) ( r o 一名)c o ：轴转速，r a d sp ：粘度，p a sp ：密度，k g m 3i 壬，：无量纲功耗西华大学硕士学位论文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及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名：弛爱导师签名：2 小衫年e 月z j 日p 泸 月猡日西华大学硕士学位论文1绪论1 1引言干气密封n 1 ( 国外多称为气体端面密封，即g a sf a c es e a l s ) 是在传统机械密封技术基础上的改进，它应用流体润滑技术，使两密封端面被一层极薄的稳定的有一定刚度的气膜隔开( 气膜厚度一般为2 5 p m ) ，这层气膜避免了两密封端面间的直接接触，使密封工作在非接触状态。干气密封作为一种非接触式并且理论上能达到“零泄漏”的新型密封，与其它密封相比，具有可靠性好、运行寿命长、环保、经济等优点，在石油化工和航天航空等领域的应用越来越广泛。干气密封是流体机械和设备关键部位的非常理想的一种密封方案，它被广泛应用于高速、高压、高温的大功率机械设备中，如离心压缩机等设备中。目前，国外在高速和低速工况下的干气密封的研究均已发展到相当高的水平，美国从低速的压力容器到高速的压缩机都广泛地使用干气密封。在国内，越来越多的科研院所也开始着手对干气密封的研究。天津克兰密封有限公司研制成功“八 字形螺旋槽气体端面密封在高速透平机上得到了应用，天津鼎名密封有限公司独立研制出应用于高速、高压下的双列单向和双向螺旋槽气体润滑密封，并申请了国外专利。但总的说来，国内对此类密封研究起步较晚，应用主要以进口和测绘加工为主。干气密封基本构成与传统机械密封类似，其核心构件仍为动、静环两个元件，不同的是干气密封在动环或静环的一个端面上加工有均匀分布的深度一般为2 5 1 t m 的浅槽( 一般为动环) 。密封端面加工的槽型主要有螺旋槽型、圆弧槽型、t 型槽型、l 型槽型和直线槽型等。图卜l 是干气密封端面摩擦副的几种加工槽型示意图。西华大学硕士学位论文仃，心必螺旋槽11圆弧槽1直线槽盱紊怂 斟搿f i g 1 - 1s e a lf a c eg r o o v e图1 - 1 密封端面槽型1 2 干气密封的理论研究状况1 2 1 国外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。其研究可以借鉴已有的气体止推轴承方法及理论。1 9 2 5 年，l o u m b e l 首先提出螺旋槽轴承概念，1 9 4 7 年w h i p p l e 解决了用对数( 等角) 螺旋槽( 惠普尔螺旋槽) 止推轴承的原理问题，研制并试验了螺旋槽止推轴承心3 。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 4 年m u i j 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) 一书口1 ，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 8 年j o h 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，2西华大学硕士学位论文并在现场应用n 1 。1 9 6 8 年，c h e n g h s 等h 3 对端面密封的压力形成和静态稳定性进行了讨论，并阐述了端面间所存在的流体动压效应，分析了密封环的变形和追随性问题，对高速运转条件下的螺旋槽型和雷列台阶型气体端面密封的特性进行了描述，得出了一些有价值的结论。1 9 7 0 年，g a r d n e r 畸1 将螺旋槽近似解析理论直接用于螺旋槽端面机械密封的性能研究。1 9 7 2 年，s m f l l e y 1 用一般坐标系的窄槽理论和有限差分法来求解r e y n o l d s 方程，得到承载力、功耗、泄漏量和刚度系数等密封性能参数。直到1 9 7 8 年，g a b r i e l 口8 3 对螺旋槽气体端面机械密封的基本问题进行较全面论述，采用了源于m u o d e r m a n 的螺旋槽轴承理论的近似解析法。在此基础上s h a p i r o 及w a l o w i t 等呻1 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。2 0 01 年，b r a d n 们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。1 2 2国内研冤状况国内，1 9 9 0 年，王美华n 订用三角形单元有限元法计算了人字型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。1 9 9 1 年，王建荣、顾永泉等用普通有限元法计算了圆弧槽气体密封的特性。1 9 9 4 年蔡文新等n 幻用八节点有限单元法计算了螺旋槽气体密封的压力，1 9 9 5 年彭建等n 踟也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，1 9 9 6 年胡丹梅等n 们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，1 9 9 8 年杨梦辰等n 引用三角形有限单元法计算了平面螺旋槽止推轴承的压力。从1 9 9 9 年开始，宋鹏云用有限差分法对气体润滑和液体润滑非接触式机械密封( 直线槽) 都进行了数值计算，并对槽形、槽数、槽深等对密封端面流场的影响进行了分析n 刚n7 1 。1 3 干气密封分析方法的发展概况研究干气密封，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，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，西华大学硕士学位论文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。1 9 6 7 年，m u i j d e r m a n 就螺旋槽轴承的设计和分析问题进行了研究n 引，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口9 。1 9 6 9 年，z u k 等乜町将螺旋槽机械密封进一步简化成直线平行槽，用有限差分法求解模拟了螺旋槽机械密封的直线平行槽模型的流场和压力场。1 9 7 0年，r e d d i 乜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 等乜2 3 首次建立了二维模型，用数值分析方法计算了螺旋槽轴承的速度场和压力场。8 0 年代，有限差分法发展迅速，相继有w a l o w i t 口引、i k e u c h i 晗引、l i p s c h i t z 心5 1 、b a s u 2 6 1 和k o w a l s k i 乜7 3 等分别用此方法计算了矩形槽、圆周组合、径向直线槽、双向螺旋气体推力轴承、径向槽的密封性能。1 9 9 4 年，c l i e n i c k e 啪1采用有限差分法求解开槽机械密封含湍流影响因子的r e y n o l d s 方程。1 9 9 5 年，k o w a l s k i 用有限差分法设计了能反转的螺旋槽气体机械密封口引。2 0 0 0 年，s h i f e n gw u 和r a yc l a r k 用计算流体动力学求解了螺旋槽气体端面密封几何参数对密封性能的影响啪3 。2 0 0 0 年后，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，s h i f e n gw u 和r a yc l a r k 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，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，并证明了螺旋槽开在动环或静环对密封端面的压力场和速度场没有影响；z i r k e l b a c k 口1 3 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并给出了结果。目前，螺旋槽干气密封的研究已经发展到了相当高的水平，而且应用也相当普遍。然而对以t 型槽等其他槽型干气密封为研究对象的文献还非常少，但是t 型槽干气密封除了能同螺旋槽干气密封一样能产生较好的流体动压效应外，还可以双向旋转，由于不受旋转方向的限制，避免了由于反向旋转造成的密封失效问题，因而t 型槽干气密封的应用前景非常好。但目前对t 型槽干气密封进行的理论分析和试验研究都相对较少，相应的应用也相对少。因此以t4西华大学硕士学位论文型槽干气密封为研究对象是很有必要的。1 4t 型槽干气密封的基本结构及原理1 4 1 基本结构穗nld蜓坝f i g 1 2t - g r o o v ed r y g a ss e a lg e o m e t r i cm o d e l图卜2t 型槽干气密封几何模型t 型槽干气密封的基本结构与普通机械密封类似，主要由静环、动环组成密封副，只是在静环或动环的密封端面( 一般在动环) 上加工几个微米的t 型浅槽，密封端面分为槽区、密封堰区和密封坝区三部分。其中t 型槽起着泵送作用，形成流体膜，产生流体动压效应；密封堰阻止流体圆周方向的泄漏；密封坝阻止流体径向方向的泄漏。t 型槽干气密封的几何模型如图卜2 所示，a b c d 所围成的区域为本文的计算区域示意图。1 4 2 密封原理m m 3 1干气密封与传统机械密封的结构非常类似，但密封端面设计有所不同，其密封副表面( 一般为动环) 一般加工有几微米的浅槽，端面宽度较宽。它与普通机械密封不同，干气密封在两密封端面间形成了厚度为几个微米的有一定刚度的稳定的气膜，这气膜具有使两密封端面完全分离而不接触，并保持一定的西华大学硕士学位论文密封间隙，这个间隙不能太大，一般为几微米。因为密封间隙太大，会导致泄漏量增加，密封效果较差；密封间隙太小，容易使两密封端面发生直接接触，干气密封的摩擦热不能及时散失，端面接触无润滑，将很快引起密封变形，端面过度发热从而导致密封失效。这层气膜的存在，既有效地使端面分开又使相对运转的两端面得到了冷却，两端面没有接触，因而摩擦、磨损大大减小，使密封具有长寿命的特点，从而延长主机的寿命。槽区分为外区域和内区域两个功能区，气体进入槽的外区域，由于槽具有泵送效应，进入槽区的气体受到压缩，在槽根部形成局部的高压区使端面分开，并形成有一定刚度的厚度为几微米的气膜。为了获得所需的泵送效应，动压槽必须开在高压侧。密封面开槽既可在动环上也可以在静环上，一般来说高速情况下，在动环密封面上开槽；在低速或中速情况下可以在静环上开槽。开槽的密封间隙内的压力增加对干气密封的工作是至关重要的，它将保证即使在轴向载荷较大的情况下，密封也能形成一个不被破坏的稳定气膜。密封的内区域( 即坝区) 是平面的，靠它的节流作用而限制了径向的泄漏。密封工作时端面气膜形成的开启力与由弹簧和介质作用力形成的闭合力达到平衡，从而实现了密封稳定的非接触运转。干气密封的弹簧力是很小的，主要目的是当密封不受压或不工作时能确保密封的闭合，防止意外发生。密封系统在具有几个微米的微小端面间隙状态下正常运行时，作用于静环上的力是平衡的，即开启力等于闭合力。介质压力分布在静环的两侧，开启力由作用于静环密封端面的介质压力及t 型槽的动压力组成；闭合力由作用于静环背面的介质静压力和弹簧力组成。当力平衡时，密封端面之间形成稳定的2 5 p m 气膜，即平衡间隙。若系统受到来自外界的干扰( 如操作波动等) 使气膜间隙变小时，则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；相反，若受到外界干扰气膜间隙变大时，则端面浅槽产生的动压力减小，开启力小于闭合力，密封亦将自动恢复到原来间隙。因此，只要在设计范围内，干气密封具有自动调节端面间隙，并保持其稳定的能力3 。t 型槽干气密封的工作原理如图卜3 所示。6西华大学硕士学位论文阳台力弹簧力+ 流体静j l i 力动环阡启力多爹司乒二罗薹7( 2 )7 c 滕j 旬1 ) 分韶1 ) l f 常运转彗于歼船力等于明合力( 2 ) 问隙减小时，丁f 船力人十翊含力( 3 ) 闷隙趱人对。开启力小卡阳合力f i g 1 - 3p r i n c i p l eo f w o r kf o rt - g r o o v ed d r g a ss e a l图卜3t 型槽干气密封的工作原理日豆一f( 3 )1 5 本文研究的目的意义和主要内容干气密封是一种新型的非接触式机械密封，它具有密封性能良好，泄漏量小，理论上泄露量甚至可以达到零，运行寿命长，特别适合高参数( 高速、高温、高压) 设备的密封，是目前密封领域最先进的一种动密封形式。在密封领域由于国内的研究起步比国外晚，与国外相比，对气体密封的研究还存在着很大的差距。因此目前，我国石化等相关行业大量使用的干气密封很大一部分依赖国外进口，随着国内相关行业对干气密封的大量需求，干气密封技术的研究在国内也得到了很好的发展。近几年以四川日机密封件有限公司和天津鼎铭公司为代表的一些国内密封研究所和公司，已初步掌握了干气密封关键技术，并有相关产品投入实际应用，并取得了很好的经济效益。总之，国内市场对干气密封产品需求逐渐增大，前景看好，新产品的销售和旧产品的维护将会是一个巨大的市场，然而靠国外进口，价格高，维护、调试都很不方便。所以非常有必要加强国产干气密封产品的研发，提高其密封性能指标。由于目前干气密封的研究主要是针对螺旋槽型，对其他槽型的研究很少，因此以t 型槽等其他槽型为研究对象在密封技术研究领域是很有必要的，因为7：，鼍一j一日霞 r j l111qj广1r _ 器h 瑟日西华大学硕士学位论文不同的槽型针对具体的工况参数与实际情况有它自身的优缺点，没有哪一种槽型对所有的实际情况来说都是最好的。并且由于t 型槽干气密封属于双向旋转密封，由于不受旋转方向的限制，使其应用范围大大增加，而且也避免了由于开车启动引起的人为错误造成的反向旋转而造成的密封损坏、失效，因此，本文以t 型槽干气密封为研究对象。本文主要的研究内容包括以下几点：( 1 ) 在对t 型槽干气密封端面间气膜流场建模、确定计算区域、流场基本假设的情况下，根据描述流体流动和传热问题的一系列方程：流体流动的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程等来推导本文t 型槽干气密封端面间气膜流场的控制方程。( 2 ) 本文采用目前市面上比较流行的计算流体动力学( c f d ) 软件包f l u e n t 对t 型槽干气密封气膜流场进行数值求解、分析，求解得到了密封端面间气膜压力场分布，在此基础上推导了密封特性的主要性能参数( 如：开启力、密封泄露量、气膜刚度、功耗等) 的计算式。( 3 ) 本文对t 型槽干气密封端面间气膜流场的数值求解、分析，目的就是为了探讨影响干气密封性能的参数在稳定性和密封性两方面对密封性能的影响。基于此，本文第四章后部分主要是对工况参数和槽型几何参数对t 型槽干气密封性能影响的分析，由于l 型槽和t 型槽的结构非常相似，本文对这两种槽形的密封性能进行了一定的分析比较，得出了t 型槽的密封性能略优于l 型槽的结论。1 6 本章小结本章介绍了干气密封概念、国内外干气密封的理论研究情况以及其分析方法的发展概况；介绍了本文的研究对象t 型槽干气密封的基本结构及密封原理，以及本文研究的目的意义和主要内容。西华大学硕士学位论文2 干气密封的基本理论2 1 干气密封基本构成干气密封基本构成与传统机械密封类似，也是一种靠弹性元件对静、动环端面摩擦副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧来达到密封的轴向密封装置。干气密封的结构示意图如图2 1 所示，其主要元件有：静环1 、动环2 、弹性元件( 弹簧4 ) 、辅助密封( o 形环8 、9 ) 、传动件( 传动销3 或者传动螺钉7 ) 、防转件( 防转销1 0 ) 、紧固件( 弹簧座5 、压环1 2 、压盖1 1 和紧定螺钉6 ) 与轴套1 3 。干气密封是非接触式密封，它的最大特点是在端面摩擦副( 一般在动环) 上加工有均匀分布的深度为几微米的浅槽。f i g 2 1s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go fd r yg a ss e a l图2 - 1 干气密封结构示意图干气密封的基本元件的作用如下：( 1 ) 摩擦副( 静、动环)非工作状态下，摩擦副要保证紧密贴合、组成密封面以防止介质泄露，这就要求摩擦副要有良好的耐磨性；动环在弹簧力的作用下可以轴向移动，自动9西华大学硕士学位论文补偿密封面之磨损，使之与静环良好地贴合，静环有浮动性起缓冲作用。( 2 ) 弹性元件( 主要有弹簧、波纹管等)它主要起补偿、预紧及缓冲作用，也是对密封端面产生合理比压的因素。这要求它始终保持弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦和动环等的惯性，保证端面摩擦副良好地贴合和动环补偿作用。材料要求耐腐蚀、耐疲劳。( 3 ) 辅助密封件( o 型环、v 形环等)它主要起对静、动环的密封作用，同时也起浮动和缓冲作用。要求静环的辅助密封件能保证静环与压盖之间的密封性和使密封环有一定的浮动性；要求动环的辅助密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封。材料要有耐热、耐寒并与介质接触要有相容性。( 4 ) 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动套等)传动件起到将轴的转矩传给动环的作用；中间传动的传动销、压环一传动环、传动销与最终弹簧座一传动座均起到传动作用。材料要求耐腐蚀、耐磨损。( 5 ) 紧固件( 紧定螺钉、弹簧座、压盖、轴套)它起到静、动环的定位、紧固和盛装的作用。要求它定位正确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好贴合的弹簧比压。同时要求拆装方便、容易就位、能重复使用，与辅助密封配合处应注意有安装密封环的倒角和环的压弹量，特别应注意动环辅助密封环与轴套配合处能耐腐蚀、耐磨损，必要时可采取硬面覆层。密封可能泄露的途径如下：( 1 ) 端面摩擦副的密封面处i 泄露端面摩擦副的密封面是主要密封面，它是决定密封性能、密封工作寿命的关键。因此，对接触面的光洁度要求高，r a = 0 0 4 o 1 6 p m 、平面度 h 2 ，即沿运动方向上流体膜的厚度是逐渐变薄的。当下板以速度u 沿x 方向运动时，粘性流体被带入楔中。由于粘性流体分子之间的内摩擦阻力，使得各层间速度存在一定的差异。以图中的三角形面积表示体积流量，因为间隙的入口大出口小，为了满足流动的连续性条件和机械能守恒定律，必然要产生如图所示的压力分布，此压力减小入口的流速而增加出口的流速，保证流过各截面的体积流量相等。矗一u ”f i g 2 - 5s p e e da n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fc l a p b o a r d图2 5 楔形板内速度和压力分布2 3 1 产生流体动压效应的类型产生流体动压效应的类型主要有如下几种：( 1 ) 密封面流体膜( 流槽) 形状效应，即将密封面( 例如动环) 加工成各种槽形，如：螺旋槽、t 型槽、直线槽、l 型槽、圆弧槽等，从而产生动压力。( 2 ) 由局部压力变形及温度差热变形产生的楔效应。( 3 ) 由对中误差或角度误差产生流体动压效应。( 4 ) 由密封面的微观表面粗糙度产生的流体动压效应。本文研究的t 型槽干气密封产生流体动压效应是属于第一种情况，即是在密封面( 一般为动环) 加工成t 型槽，从而产生流体动压力。2 3 2 各种流体膜层的承载能力1 4西华大学硕士学位论文流体膜模型主要有：平面收敛流体膜层模型、台阶面型流体膜型、线性收敛( 斜平面) 流体膜层、抛物线性流体膜层和指数曲面流体膜层等模型。本文主要分析平面收敛流体膜层模型：如图2 6 ( a ) 所示，平行平板作相对运动，按牛顿定律流速沿间隙高度方向按线性规律分布，而沿长度方向保持不变，为纯剪切流动。按连续性定理沿长度各断面的压力不变，没有产生流体动压承载能力。如图2 6 ( b ) 所示，两平板相互有轻微的倾斜度，其中一个平板作相对运动。由于间隙两端高度不同，对于等宽平板，按照连续性定理，沿长度方向流速变化逐渐增大，因此可判定压力变化，会产生流体动压力。如图2 6 ( c ) 所示，可设想上板有一载荷w 作用，流体就从缝隙两端流出，流速成抛物线分布，产生压差流。如图2 6 ( d ) 所示，剪切流与压差流叠加得出实际的流速、压力分布。可用式( 2 1 ) 对流体流动分析，这里我们根据实际情况，将式( 2 - 1 ) 作相应简化。r e )f i g 2 - 6p l a n er e s t r a i n i n gf l u i df l o w图2 - 6 平面收敛流体流动f 噜2 - 7w e d g e s h a p e df i l mf o rl o a db e a r i n g图2 7 承载的楔形膜由此可知，收敛缝隙流体膜层有一定承载能力，产生了动压效应。假设平板为无限宽而且粘度“和密度p 为常数，则雷诺方程式( 2 1 ) 可简化为：1 5西华大学硕士学位论文旦f ，办s 尘 _ 一6 u 丝( 2 - 3 )出出。出分析图2 - 7 ，并且对式( 2 - 3 ) 作一些变化并积分，可得到流体动压产生的承载能力w 为：形= 警卅一2 州a _ - p j l = t i i u b l 2c wc 2 4 ，取d w d x = o 可得最大承载能力，当a = 2 1 0 9 时，其值为：= o 1 6 0 3l t u 蟛b l 2 。( 2 5 )2 3 3 几种流体膜模型的比较表2 1 中列出几种流体膜模型的承载能力的比较。表中还列出最小间隙h 2相同时的最佳间隙比口= 囊红和其相应的最大承载能力w m “和结构尺寸。1 6西华大学硕士学位论文表2 1 几种流体膜层的最大承载能力的比较t a b l e2 - lm a x i m a lb e a r i n gc a p a c i t yc o m p a r i s o nf o rs e v e r a lk i n d so ff l u i df i l m特a = h d h 2最大承载模型l i l 2间隙值h ( x )征( w 。下)能力w 。一皿面0 x l收一! ，l粼敛2 1 0 9叭6 硭警h =、b 、t ，二，、j流红+ 半x，一体膜层厶。上口0 x l ：磁磁黝阶， n 一凇争面蠢型h = h 2、日、k 、j -流1 8 6 62 5 4 9妣魄警0 x l 。c ，“体膜型h = h 。线性0 x l 2卡勉收| l厶j 器敛h = h 2 br流2 2 54。1 9 2 0 _ l t u 所b l 2 -0 x l 。体模h =层”孚x2 4 密封端面流场分析方法2 4 1 解析法密封端面流场解析法中最具代表性的一种是无限槽窄槽理论的方法，此计1 7西华大学硕士学位论文算方法源于螺旋推力轴承计算理论，主要是针对螺旋槽干气密封。1 9 7 9 年r e g a b r i e l 做出平面惠普尔螺旋槽气体密封，并发表非接触式螺旋槽端面密封原理的文章，该文被s t l e 作为重要文章在润滑工程杂志发表，它采用的就是源于m u i j d e r m a n 的螺旋槽轴承理论的近似解析法口5 瑚3 。窄槽理论能从解析法求解n s 方程的角度，对密封端面流场进行定性分析，在槽数较多时已被实验证实，并且该法简单易行，便于直接用于设计，因此获得了广泛的应用。但本文不研究此方法，只是略介绍而已，本文主要研究端面流场的数值计算方法。2 4 2 数值计算法2 4 2 1 计算流体动力学概述计算流体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是当代迅速发展的一门学科，它着重研究运用大容量高速数字电子计算机解决流体力学问题的各类数值方法。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的飞速发展和各种稳定、精确、快速算法的出现，计算流体力学迅速发展成一门独立的学科瞄7 1 。计算流体动力学啪剜主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。广义而言，可从流动现象出发，直接建立满足流动规律的、适定的离散数值模型，而不必经由已有的流体力学偏微分方程组。但是，由于理论力学给出的数学模型十分成熟，我们仍以它们作为研究的基础。通过时、空离散化，把连续的时间离散成间断有限的时间，把连续介质离散成间断有限的空间模型，从而把偏微分方程转变成有限的代数方程。因此，数值方法的实质就是离散化和代数化，离散化把无限信息系统变成有限信息系统：代数化把偏微分方程变成代数方程。所谓计算流体动力学，指在计算机上数值求解流体与气体动力学基本方程的学科；是通过数值求解各种简化的或者非简化的流体动力学基本方程，获取各种条件下流动的数据和作用在绕流物体上的力、力矩、流动图像和热量等。目前，流动的数值研究一般有三种方法：直接数值模拟( d n s ) 方法、大涡模拟( l e s ) 方法和雷诺平均n s 方程( r a n s ) 方法h 0 。( 1 ) 直接数值模拟( d n s ) 方法此方法通过直接求解流体运动的n s 方程，得到流动的瞬时流场，即各种尺度的随机运动，从而获得流动的全部信息。随着现代计算机技术的发展和先1 8西华大学硕士学位论文进的数值方法的研究，d n s 方法已经成为解决流动问题的一种有效方法。但由于计算机条件的约束，目前只能限于一些低r e 数的简单流动，还不能应用于较复杂的流动研究和工程应用。目前国际上正在进行的直接数值模拟只限于较低的雷诺数( r e 2 0 0 ) 和非常简单的流动外形，如平板边界层、完全发展的槽道流以及后台阶流动等。( 2 ) 大涡模拟( l e s ) 方法此方法是一种折中方法，是将n s 方程在一个