（机械电子工程专业论文）静压干气密封研究.pdf

s ：；：_ l 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 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：奇j 飞指导教师签名：牺更 日期：2 口胗年石r - 1 午弓日期d 町奄。6 乒 西华大学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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：奇】飞 指导教师签名：垛彳卜孩 日期：2 。d 年 0 。 为了将泄漏量控制在一定范围内，必须有一定的值。不能为了降低端面温升 t ，而盲目地减少只值，以致泄漏量超过技术要求。 对自润滑性好、相互匹配的摩擦副材料，如石墨碳化硅、硬质合金碳化硅， 可选定较高的值。 ( 7 ) 端面温升 端面温升是指密封环带内、外圆之间的温度差。端面温升t ( o c ) 由下式计算： a t - k - t 2 l ( 1 2 6 ) 式中： 密封环带内圆处的温度( 0 c ) ； t ，密封环带外圆处的温度( o c ) 。 引起端面温升的热量，主要来自于摩擦副的摩擦热。可以认为温升为： a t ；堡尘( 1 2 7 ) k 式中： ，摩擦系数； k 散热系数( w p c ) ； 密封流体压力； ，瑞面平均滑移速度( m s ) 。 端面温升t 与散热系数厅成反比，散热系数不仅与密封流体的导热系数卿比热容 c 有关，并且与密封流体的循环流量有关，增大循环流量可以提高散热系数k ，降低端 面温升。 8 两华人学硕十学位论文 1 2 3 干气密封的典型结构 干气密封的设计选用主要取决于气体成分、气体压力、工艺状况和工厂的安全以及 对排放气体的污染极限的要求。实际应用中，干气密封主要有三种布置形式：单端面密 封结构、串联式密封结构和双端面密封结构【l l 】。 ( 1 ) 单端面密封结构如图1 1 所示，又称单级密封，其密封面上浅槽产生很强的 泵吸作用，形成剪切流，来阻止密封泄漏，理论上可实现零泄漏。该种密封适用在中低 压条件下或密封出现故障后允许有少量泄漏、危险性小的场合，可用于空气、氮气、二 氧化碳压缩机。 图1 1 单端面密封结构图 f i g 1 1s i n g l es e a la r r a n g e m e n t ( 2 ) 串联式干气密封结构如图1 2 所示，是应用最普遍的一种结构形式。与单端 面密封相同，密封所用气体为工艺气本身。一个串联式干气密封可能由两级或更多级干 气密封按照相同的方向首尾相连，每级密封分担部分负荷。通常情况下采用两级结构， 第一级( 主密封) 承担全部负荷，而另外一级作为备用密封不承受压力降，在备用密封和 主密封之间通入惰性气体就形成阻塞密封，保证密封介质绝对不向大气泄漏。当主密封 受损时，二级密封即起作用。在压力很高的场合，需采用三级串联式密封，其中前两级 密封分担总的负荷，第三级作为备用密封和阻塞密封。带中间气的串联式干气密封适用 于既不允许工艺气泄漏到大气中，又不允许阻封气进入机内的工况。如果遇不允许工艺 介质泄漏到大气中，且也不允许阻封气泄漏到工艺介质中的工况，此时串联结构的两级 密封间可加迷宫密封，用于易燃、易爆、危险性大的介质气体，可以做到完全无泄漏。 如h 2 压缩机、h 2 s 含量较高的天然气压缩机、乙烯、丙烯压缩机等。 9 静压干气密封研究 图1 2 串联式密封结构图 f i g 1 2t a n d e ms e a la r r a n g e m e n t ( 3 ) 双端面密封结构如图1 3 ，当工艺要求选择压力较高的缓冲介质、缓冲气较 脏或处理的是有毒的或有危险的气体，不允许介质泄漏到大气中时考虑安装双端面密 封。双端面干气密封适用于不允许工艺气体泄漏到大气中，但允许阻封气( 通常为氮气) 图1 3 双端面密封结构图 f i g 1 3 d o u b l es e a la r r a n g e m e n t 进入机内的工况。在两组密封之间通入氮气作密封气，控制氮气的压力使其始终比工艺 气进口压力高0 3m p a 以上，密封气向工艺气侧和大气侧泄漏，从而保证工艺气不会向 大气泄漏，而向大气侧泄漏的密封气被安全放空。该种形式的密封主要采用面对面结构， 有时两个密封共用一个动环，通过采用惰性气体或氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠 的阻塞密封系统。由于阻塞气体的压力总是维持在比密封气体压力高的水平，因此气体 泄漏的方向便朝着工艺介质气体，这就保证了工艺气体不会向大气泄漏，故其主要用于 两华人学硕十学位论文 有毒、易燃易爆的气体厂和以及不允许有污染的食品加工和医药加工过程。例如：氢气、 氯气、氮气和氨气压缩机就可使用双端面密封结构对其进行密封。 1 3 干气密封发展概况 j o h nc r a n e 公司从2 0 世纪6 0 年代开始研究气膜润滑端面密封技术，到2 0 世纪8 0 年代初已完全达到实用化的程度1 1 2 , 1 3 】。从2 0 世纪9 0 年代初，与进口高速透平压缩机配 套的干气密封开始进入中国市场。由于优点突出，它在炼油、化工等行业高速透平压缩 机上的应用越来越广，已逐步成为工艺气体用高速透平压缩机新机轴端密封的首选。我 国在9 0 年代后期，开始逐步引进国外干气密封技术应用于大型离心压缩机，国内外干 气密封产品价格也开始逐步下降，其性价比远远高于浮环密封和机械密封。因此，原来 一些采用浮环密封或机械密封的压缩机，不论是国外进口的还是国产的，也逐步改为干 气密封。实践证明，干气密封具有非常明显的优势，是最先进的一代透平压缩机轴端密 封形式，已发展成为目前大机组新机项目和改造项目的首选轴端密封形式。 从目前国、内外关于干气密封的研究和应用情况来看，多为流体动压型干气密封， 其主要是针对离心式压缩机等高速回转机械，且在离心压缩机组上获得了成功的应用， 其应用范围也在进一步拓展。在高速运转时，密封具有很强的动压效应，可以得到较大 的开启力和气膜刚度，实现密封的稳定运行。但流体动压型干气密封最大的问题在于被 密封机组主轴转速对密封性能影响很大。如果机组转速过高或过低，特别是转速过低时， 动压型干气密封将无法正常地非接触式运转。因此，研究一种不受机组主轴转速影响的 干气密封产品，显得非常必要，这将是国内干气密封今后研发的一个重要方向。现在国 外，在高速和低速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，越来越多的研究机构也开始着手对 干气密封进行研究1 1 4 。 1 3 1 低速条件下干气密封的研究情况 干气密封的稳定性在很大程度上取决于机组的转速，过低的转速难以形成足够的气 膜开启力和刚度，无法保证密封的正常运转。在低速及低压条件下的搅拌反应设备上的 研究，引发了考虑滑移效应条件下干气密封的研究。 最早对滑移问题进行研究的是b u r g d o r f e r ，他重点讨论了分子平均自由程对气体润 滑轴承的动态稳定性能的影响，运用低k n u d s e n 数以及低阶滑移速度边界条件推导雷诺 方程 1 5 o 其次是h s i a 和k a n e k o ，他同时考虑了一阶和二阶滑移，并推导了适合于k n u d s e n 接近l 时的高阶近似方程。不久以后，f u k u i 和k a n e k o 提出了一个气膜润滑方程，该方 程是以线性b o l t z m a n n 方程为基础，适合于任意的k n u d s e n 1 6 】，n e t z e l 对低速下气体润滑 密封的设计和应用方面进行了研究旧，2 0 0 0 年，c h i n g s h u n gc h e n 考虑了滑移效应，采 用边界层理论研究了微小通道中的气流运动，结果表明，滑移效应流体的速度和质量流 静压干气密封研究 率起决定性的影响，必须加以考虑1 1 8 l 。2 0 0 0 年，r u a nb 等考虑了滑移效应对低速及低 压下的螺旋槽气体端面密封性能进行了研究【1 9 】，c h i c h u a nh w a n g 推导了超薄气膜润滑 下的雷诺方程，r u n 对在低速低压条件下工作的螺旋槽气体端面密封进行了有限元分 析。后来的研究表明，b u r g d o f f e r 过高估计了气膜的承载能力，而h s i a 对气膜的承载能 力估计过低，二人的研究只在一定的k n u d s c n 范围内j 下确。因此，f u k u i 和k a n c k o 建立 的气膜润滑模型在研究中应用至今。国内在这方面的研究有北京石油大学的胡丹梅，研 究了直线槽低速气体端面密封的密封性能【2 0 m 】。王玉明、朱国俊等发表了螺旋槽端面密 封在酯交换釜上的应用的文章，分析了进口釜用气体端面密封应由于酯交换釜上的情 况，从工业应用方面阐述了气体端面密封的优剧2 2 j 。 1 3 2 静压千气密封技术研究进展 静压干气密封的基础理论主要来源于静压气体润滑轴承理论。人们在静压气体轴承 方面，进行了大量的研究。刘墩等人撰写的静压气体润滑 2 3 j 对发展到当时( 1 9 9 0 年) 的静压气体润滑技术作了较全面的归纳和总结，大量的篇幅介绍了气体静压轴承。近十 年来，气体静压轴承的理论和技术不断深入，出现了大量关于气体静压轴承的文献，其 中关于气体静压止推轴承的文献对静压气体机械密封的技术能提供直接的借鉴作用。在 国外，1 9 9 6 年m o h a m c df o u r k a ，y o n gt i a n 和m a r cb o n i s 2 4 j 利用有限元法针对非线性 模型分析计算空气止推轴承的稳定性，得到的结果与试验结果非常吻合。1 9 9 8 年 y b e k w a n 和j c o r b e t t 2 5 j 针对多孔质空气静压止推轴承，提出了一种简单的方法考虑速 度滑移和惯性对其性能的影响。2 0 0 0 年j a w r e nl i n t 2 6 j 研究了表面粗糙度对补偿式流体 静压止推轴承中动态刚度和阻尼特性的影响。2 0 0 2 年n o a hd m a n f i n g 等人【z7 j 研究了不 可压缩流体静压止推轴承线性变形对其性能的影响规律。 国内，1 9 9 9 年董吉洪幽j 利用线性气源假设，计算得出圆盘形平面止推气体轴承承 载能力的简单工程计算公式，为设计计算圆盘形平面止推气体轴承找到了一条有效、快 捷的途径。2 0 0 0 年薛龙等【2 9 l 对真空平衡型气体静压止推轴承刚度建立了该轴承的承载 能力和刚度的数学模型，并对这个数学模型进行了计算分析，把气膜厚度作为真空度变 量与导管参数、轴承联系起来，为定量分析真空度对轴承特性的影响提供了理论依据， 并于2 0 0 1 对该数学模型进行了进一步的分析研刭圳，通过计算机仿真及实验的方法对 其进行分析验证，为定量分析真空度对轴承特性的影响提供了设计依据。同年，侯予、 熊联友等人1 3 1 j 对多排环形供气孔静压止推气体轴承进行了比较全面的研究，分析了不同 参数对止推轴承性能的影响，理论分析及试验研究结果表明，采用多排环形供气孔后， 轴承的静刚度性能有明显的提高。2 0 0 2 年杨铁林，闰庆辉【3 2 】从气体雷诺方程出发，根 据静压止推轴承的特点，运用g a l c r k i n 有限元方法推导了润滑气膜压力分布的有限元方 程，并有气膜边界条件，给出了稳态雷诺方程的有限元方法求解过程。2 0 0 2 年杜建军、 刘墩等【3 3 l 在气体静压轴颈i t 推轴的离散化过程中，简化了压力分布方程式的计算， 两华大学硕十学位论文 给出了静态特性，分析了结构工艺、狭缝宽度和轴承间隙等因素对径向和轴向承载性能 的影响，最后，通过实测值对计算结果进行验证。2 0 0 3 年包刚等瞰j 以二维雷诺方程为 基础，采用有限元法求解了圆盘多供气孔气体静压止推轴承的稳态压力场，并对不同参 数对轴承的影响作了一定的分析。2 0 0 5 年杜建军，姚英学等人1 3 5 j 采用有限元方法研究 了狭缝节流气体静压轴径止推串联型轴承的静态特性，分析了节流狭缝宽度和气膜 厚度等因素对径向和轴向承载性能的影响，研究了三棱形圆度误差对径向和轴向承载能 力的影响。同年，几位学者i 刈又采用有限元方法研究了制造误差对狭缝节流静压轴颈一 止推串接型轴承的涡流力矩的影响，主要分析了狭缝宽度误差和轴颈圆度误差对涡流 力矩的影响，以及轴颈的不同安装角度、偏心等因素对涡流力矩的影响。2 0 0 5 年孙西芝 等1 3 7 j 学者采用线性气源假设，推导出空气静压导轨的解析计算公式，并利用该计算公式 分析导轨参数对静态性能的影响，从而为空气静压导轨找到了一种快捷方便的设计方 法。2 0 0 6 年郭良斌等1 3 8 j 针对环面节流静压圆盘止推轴承，借助小参数摄动和伽辽金有 限元法，给出了求解柱坐标下二维非定常雷诺气体润滑方程的一种近似解法，建立了分 析沿气膜高度方向该结构圆盘止推轴承动态特性的一类理论方法。同年，龙威和包刚【3 9 l 在综合多数供气孔静压环形止推气体轴承和多槽式表面节流气体润滑轴承结构和特性， 采用非结构网格建立气膜模型，选取合适的边界条件和初始条件，并用基于有限体积法 的f l u e n t 软件进行迭代计算，得出其数值结果。2 0 0 6 年张君安等即l 为解决空气推力轴 承气膜压力分布问题，研制了一种新型气体润滑止推轴承性能测试试验台，得到的实验 结果与气体压力分布的数值分析结果吻合。2 0 0 7 年郭良斌1 4 1 】采用工程计算方法研究了 最大静刚度准则设计多供气孔环面节流静压圆盘止推气体轴承几何参数的过程，详细讨 论了供气孔数和供气孔直径参数对轴承静态性能的影响。2 0 0 7 年马文琦、郭良斌等【4 2 l 忽略惯性力的纯粘度等温气膜和等熵流动的供气孔拼接，建立了单供气孑l 环面节流圆盘 止推轴承的流道简化模型，给出流道给部分气流马赫数、雷诺数和压力分布的计算公式。 2 0 0 7 年王靖、张力等1 4 3 】提出将气体静压轴承应用于该p o w e rm e m s 发动机的研究和p o w e r m e m s 准气体动力循环发动机中气体静压径向轴承和止推轴承结构形式的选择，运用气体 静压润滑的基本原理对气体轴承的结构及运行参数进行了分析，获取了径向轴承和止推 轴承的参数设计。 静压气体润滑机械密封的起源要追溯到上世纪8 0 年代，t a d a s h i k o g a 等f 4 卅在1 9 8 4 年研究了外部气源供气流体静压非接触机械密封性能以及其在极限工况下的应用，并对 流体静压气体非接触机械密封进行了进一步研究【4 5 j ，对端面的开启力以及力的平衡做了 详细的分析计算，包括密封端面的压力分布，端面开启力和气膜刚度。 1 9 9 8 年t a s t o l a r s k i 等【舶i 对端面的背面开有浅槽的自加压式静压气体润滑机械密封 性能进行了系统研究，分析模型中考虑了表面粗糙度、端面变形的影响，并经过实验验 证。2 0 0 0 年日本学者sf u j i w a r a 和tf u s e l 47 j 根据实际的需要，设计了一种结构新颖而 1 3 静压干气密封研究 简单的外加式静压气体润滑机械密封。密封端面的基本结构是在密封端面的环形内开有 四个浅槽，称之为补偿槽，这个补偿槽的主要作用是为了实现两个密封之间端面能得到 一个稳定的静压力，提高密封的效果和稳定性。对该种密封性能进行了较为详细的理论 分析和实验研究。实验研究设计了两套实验方案，对不同压力情况下的静压气体润滑机 械密封的性能进行研究。第一套实验方案是：实验的转速为3 0 0 r m i n ，提供的气源压力 为5 0 0 k p a ，被密封介质的压力从0 k p a 逐级调至3 0 0 k p a ，每增加5 0 k p a 进行一次数据采 集。第二套实验方案是：调节气源压力，使提供的气源压力比被密封介质的压力高2 0 0 k p a 的前提下，从o k p a 至3 0 0 k p a 逐级调节被密封介质的压力，同样地，每增加5 0 k p a 进行 一次的数据采集。实验的转速也是在3 0 0 r m i n 。通过实验研究，表明这种空气静压机 械密封能实现低转速、低负载情况下的高刚度稳定运行。这种结构的机械密封在搅拌反 应釜上获得了非常成功的应用m ，其中的相关参数为：轴径：1 1 5 m m ：速度：1 0 5 r m i r a 气体：氯化乙烯；温度：3 5 6 k ；压力：3 0 0 k p a 。 1 4 主要研究内容 对静压干气密封进行全面深入的研究，找出影响这种类型干气密封稳定性的因素， 为静压干气密封的设计、运行提供必要的理论依据。主要研究目标：研究一种在各种转 速下都能稳定运行的新型气体静压干气密封，适应所有转速的主轴动密封。本文主要内 容如下： ( 1 ) 对干气密封的发展概况进行了介绍，其中对静压干气密封的研究进展进行了 详细的叙述。 ( 2 ) 介绍了干气密封端面的主要性能参数，并给出了相应的计算公式。 ( 3 ) 分析了静压干气密封的工作原理和典型结构，建立了端面气膜控制方程和端 面气体流量控制方程。 ( 4 ) 对静压干气密封的端面受力情况进行了分析，并分析了表面粗糙度、表面波 纹度和端面锥度对密封性能的影响。 ( 5 ) 用p r o e 软件建立三维模型，用f l u e n t 软件对静压干气密封端面流产进行 数值模拟。分析了端面间隙、节流孔对端面压力、端面开启力和泄漏量的影响 ( 6 ) 针对深圳比亚迪搅拌反应釜的使用工况，为其设计了一套外加压式静压干气 密封系统，并介绍了主要零部件材料的选择情况，对设计的外加压式静压干气密封进行 了性能测试。 1 5 小结 首先介绍了干气密封及其发展概况，其中对静压干气密封技术的研究进展进行了较 详细的叙述。然后介绍了密封的一些基本概念及密封端面的主要性能参数，最后提出本 文的主要研究内容。 1 4 两华大学硕士学位论文 2 静压干气密封原理及端面控制方程的建立 2 1 静压干气密封的工作原理及其典型结构 在干气密封中，借助回转使压力上升的叫做动压作用，这种干气密封即被称为动压 干气密封。相对而言，依靠压力差或外部供给的中间气体的压力使压力上升，而回转速 度的变化对浮力几乎没有影响的干气密封，叫做静压干气密封。根据润滑气体提供的方 式，静压干气密封可分为自加压式静压干气密封和外加压式静压干气密封两种形式。 图2 1自加压式静压干气密封结构图 f i g 2 1s e l f - p r e s s u r i z e dh y d r o s t a t i cg a ss e a ls t r u c t u r e 对于自加压式静压干气密封，典型结构如图2 1 所示f 稻1 ，在密封环的背部有提供气 体的通道，产生静压的气体是设备输送的介质本身，不需要提供另外的气源，但密封的 性能容易受到介质压力波动的影响。 垂i 图2 2 外加压式静压干气密封结构图 f i g 2 2 e x t e r n a ls t a t i cp r e s s u r et y p eg a ss e a ls t r u c t u r e 1 5 静压干气密封研究 对于外加压式静压干气密封，静压气体由外部气源提供，典型结构如图2 2 所剥4 叭。 该类密封额外增加了气源设备，结构复杂，但是这种结构的密封性能比较稳定，可靠性 高。下面以自加压式静压干气密封为例，对静压干气密封的工作原理进行介绍。 自加压式静压干气密封的工作原理主要是利用气体的静压作用，在端面之间形成稳 定的气膜以提供较高的开启力，促使端面实现非接触。如图2 1 所示，产生静压的气体 是由密封环背部的气体通道提供的，而此气体就是设备输送的介质本身，不需要提供另 外的气源。密封端面的环形内开有四个浅槽，称之为补偿槽，补偿槽的主要作用是为了 实现两个密封之间端面能得到一个稳定的静压力，以提高密封的效果和稳定性。在每个 浅槽的中心开有一个节流孔，此节流孔用于外部气源向端面间提供润滑气体。 静压干气密封的主要优点如下： ( 1 ) 不要求两端面间构成收敛问隙和足够的相对速度，其承载量( 端面开启力) 、 端面泄漏率、气膜刚度和气膜厚度都与转速关系不大。 ( 2 ) 极好的气膜刚度。通过供气装置和节流装置可以实际上使得气膜刚度无限大。 ( 3 ) 很低的摩擦系数。对于大型设备可以实现在气膜润滑条件下启动。以消除静 摩擦力的影响，减小启动力矩。 ( 4 ) 密封性能受介质压力波动的影响不大，在介质压力波动的情况下能保持较好 的密封性能。 外加压式静压干气密封的主要缺点： 结构复杂，加工困难，并要求配置可靠的供气系统。在以前这些缺点限制了它的广 泛应用发展。 由以上分析可知，静压干气密封不受密封机组主轴转速的影响，能在低转速、低负 载情况下刚度稳定运行。因此，像搅拌反应釜这类低转速的情况就可使用静压干气密封 对其进行密封。 2 2 气膜控制方程的建立 2 2 1 几何模型 根据上一节中介绍的自加压式静压干气密封与外加压式静压干气密封的特点，可以 知道外加压式静压干气密封具有更好的密封可靠性，在实际的应用中将会有很大的发展 空间，因此本文将对外加压式静压干气密封进行分析研究。 外加压式静压干气密封具有两个相对旋转的非接触密封环，动环是普通光滑密封 面，而静环的环形密封端面上开有若干个浅槽，并在每个浅槽的中心开有一个节流孔， 此节流孔用于外部气源向端面问提供润滑气体。静环端面结构如图2 3 所示，端面外径 为冠，内径为月：，开孔位置所在端面的半径为凡。分析计算中令浅槽槽深为h 。，浅槽 外侧半径为凡。，浅槽内侧半径为凡：，则浅槽宽度为b ；凡。一r d ：，浅槽长度为 西华大学硕士学位论文 8 r ，开槽长度比b l 是指一个分析单元内丌槽部分的周向弧长与整个单元的周向 弧长之比，开槽宽度比是指一个分析单元内开槽部分的径向宽度与整个单元的径向 宽度之比，浅槽两端为半圆形轮廓，半径是酬2 。节流孔的位置在槽的中部，小孔直径 为d 。 图2 3 静压干气密封端面槽形 f i g 2 3 s t a t i cp r e s s u r eo f0 r yg a ss e a lg r o o v e 2 2 2 基本假设 为了便于研究作以下基本假设： ( 1 ) 忽略润滑气体体积力的作用； ( 2 ) 气体润滑剂为牛顿流体，其粘度保持不变，流体为层流，不存在涡流和湍流； ( 3 ) 流体在固体界面上无滑动，即附着于界面之上的流体质点的速度与界面上该 点的速度相同； ( 4 ) 与粘性力比较，可以忽略惯性力的影响，包括流体加速的惯性力和流体膜弯 曲的离心力： ( 5 ) 与膜厚相比，支承表面的曲率半径很大，因而可以忽略由表面曲率引起的速 度方向的变化： ( 6 ) 两密封面不接触，其间存在气膜，且气膜厚度为h 。，在不开槽的密封端面间 处处相等( 用于不考虑端面形貌的情况下) ； ( 7 ) 在沿气膜厚度方向上不计压力的变化。因为薄膜厚度仅为不足一至数十微米。 在如此薄的范围内，事实上压力不可能发生明显变化。由本假设可以引出一个推论，即 流体的粘度和密度在薄膜厚度方向上也没有变化。 静压干气密封研究 2 2 3 端面气膜控制方程的建立 ( 1 ) 粘性流体的运动方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) 为： p 等t 一罢+ 詈去c v 。叻+ c 警+ 等+ 等， p 鲁一一号+ 詈号c v 咖c 等+ 等+ 等， 晓1 ， p 警- 胆一詈+ 等量c v 咖p c 等+ 等+ 等， 根据本章上节的基本假设，可获得如下简化的n a v i e r - s t o k e s 方程： ( 2 2 ) ：j l l 上， 对方程 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 两华大学硕士学位论文 对方程( 2 5 ) 进行积分整理得： 圭( 生粤) + 三( 譬罢) 。6 ( u 。一u ：) 兰( 肪) + 6 化一屹) 晏( 加) + 1 2 p w ( 2 6 ) 戡 “d xo yl l唧戤曲 方程( 2 6 ) 即为稳态条件下，可压缩流体动力润滑方程的一般形式。等式右边第一、 第二项为楔形效应，第三项为挤压效应。 令两密封面间的相对速度u 。一u ：- u ；，k 一一u ，右边的第三项挤压效应为0 ， 则方程( 2 6 ) 可变为： 忑a ( 、p h 30 扩p ) 昙譬争6 u ，昙( 舭6 u y 专( 加) 晓7 ， 在圆柱坐标下，用坐标变换关系式，可将方程( 2 7 ) 写成柱坐标形式。由石。，c o s o ， y 一，s i n 0 得： 将速度进行分解，如图2 4 所示： 由图2 4 得： 由( 2 9 ) 式可求得： o x 图2 4 速度分解 f i g 2 4 r e s o l u t i o no fv e l o c i t y p ，一u 。c o s 0 + u ys i n 0 0 i u 口一- u js i n 0 + u y c o s 0 - n j r 1 9 ( 2 8 ) ( 2 9 ) a一阳a一的 秒 p n 瞎 口 瞄 ， r 一 + a一打a一打 伊 盯 s i | 磊 l 宣 a一缸a一秒 静压干气密封研究 尸z 一钾s l n p ( 2 1 0 ) p y 盯c o s l 9 根据式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 将方程( 2 7 ) 变形，得柱坐标系下形式为： 钏等料粼譬斛锄掣 晓 由于本文所研究的密封用的润滑剂是气体，假设是理想气体，根据理想气体状态方 程：p ；加r ，式( 2 1 1 ) 可以改写为： 邻警料糊譬肼锄掣 引入无量纲量： r = r r o ，p = p p o ，h h h o ，人一6 1 u o ( r o h o ) 2 p o 其中：，o 为外半径；p 。为外压强：h o 为非槽区气膜厚度。则方程( 2 1 2 ) 的无量纲 形式可写为： ! 旦( 朋，尺一a p ) + 三旦( 堕鲨) 。a o ( p h ) ( 2 1 3 ) 尺a r 、a 尺7ra 日、ra 臼7a 口 方程( 2 1 3 ) 为气体端面密封间流体流动所适用的控制方程，其控制方程在计算区 域内有两类边界条件【5 0 】： ( 1 ) 强制性边界条件c 。： 在d f 处，有p a ； 在d o 处，有p 一风。 ( 2 ) 周期性边界条件c ： 在边界r l 和r 2 处压力相等：f p ；f 9 ； 根据质量流量守恒，流过边界r l 和r 2 处的质量流量也分别相等：詈一詈。 方程( 2 1 3 ) 是非线性偏微分方程，不能直接用解析法求解，只能用数值计算方法 来求解。数值计算法所采用的主要数值求解方法有：有限差分法、有限单元法、有限体积 法等。 本文将采用有限体积方法求解上述非线性偏微分方程，从而可以获得气膜的压力分 布，进而得到压力场再根据压力场可进一步求得一系列性能参数，从而指导静压干气密 封的工程设计。具体的求解方法将在第四章具体阐述。 西华大学硕士学位论文 2 2 4 边界条件 在本文中，由于静环端面中间开有节流孔，用于从外部气源装置向密封端面间提供 润滑气体，在分析时开槽内部压力近似为局不变，那这个气体压力只也是一个重要的边 界条件。下面对用有限体积法求解密封性能时的边界条件进行介绍。 在半径为咫的密封端面内侧与外界相通，所以此处的气体压力与大气压力最相等， 而开有浅槽的槽内气体压力近似为己不变，在半径为墨的外侧与介质相通，所以此处 压力与密封介质压力只相等。则： f 在，1 1r ：处p 一只 开槽内部p 9 1 1 只 ( 2 1 4 ) l 在，l m 尺。处p1 只 式中： 厂端面上任意处所在半径( r a m ) ； 大气压力( p a ) ； 节流孔出口压力( p a ) i 介质压力( p a ) ； p 端面上各处的气膜压力( p a ) 。 在整个单元内进行分析研究时，这个单元相当于一个周期，而一个周期的两端的压 力应该是相等的，这也是一个不可缺少的边界条件。 在上面对边界条件进行分析中可以发现槽内压力是一个变化的量，但是它可以通过 与薄膜厚度h 。的关系式计算出来，不能单独给定。在下节中将介绍如何找到这两个变量 的关系式，从而找到在不同薄膜厚度下的只，这样边界条件才得到确定，才能开始对密 封的各项性能进行计算。 2 2 5 气膜厚度分布 假设两个端面是平行的，不考虑密封粗糙度、端面锥度和周向波度的影响，可以将 整个密封面看作由开槽区和非开槽区组成。密封端面间的气膜分布可以用一个控制单元 内的气膜厚度分布来表示。 在非槽区的气膜厚度为：； 在开有浅槽区域的气膜厚度为：+ 。 2 3 气体流量控制方程的建立 在外加压式静压千气密封中，有外部气源提供润滑气体。对于端面泄漏率的计算就 与普通的密封端面不同，下面将对外加压式静压干气密封中向介质端、向大气端泄漏率 2 1 静压干气密封研究 和总的泄漏率的计算方法进行分析。同时在上面的分析中，槽内压力( 节流孔出口压力) 只是一个变化的量，而气膜厚度也是一个变化量，如何找到这两个变量之间的关系在 也是这一节中应解决的问题。 2 3 1 节流孔气体流量控制方程 节流孔是连接端面与提供润滑气体的气源装置的关键环节，直接影响了端面气膜的 刚度、端面开启力和气体泄漏率等重要密封性能，是实现良好密封性能的关键。所以对 端面上几个节流孔控制方程的分析盛重要。 国内关于止推轴承的研究已经比较成熟，而止推轴承的技术核心之一就是对节流孔 的研究。在1 9 9 0 年刘墩、刘育华、陈世杰等学者编著的静压气体润滑【2 3 j 一书中对 节流孔控制方程的推导有了详细的介绍。通过该书介绍得到计算节流孔的流量公式为： m a 只妒 式中： 彳节流孔截面面积：a - 棚么； d 节流孔直径( m m ) ； 气源压力( p a ) ； 妒流量系数； 妒毓量函数。 流量函数的计算如下： 式中： 妒一 汹m 一 滞心广旷 反暑，( 南) 孔； 临界压力( p a ) ； 只节流孔出1 ：3 ( 槽内) 压力( p a ) ： k c p c y 绝热比； q 、o 定压、定容比。 号s 以； 孓8。1- ， ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 西华人学硕十学位论文 通过上面的控制方程可以得到，通过节流孔的流量随着压力只降低而逐渐增加，但 是当局减小到临界压力& 后，通过节流孔的气体流速已经达到音速，这样岛再继续下 降，流量将保持不变。 注：小孔节流公式是在绝热过程和无粘性运动的假设下推导出来的，它与真实过程 十分接近，这是因为小孔的长度较小，气流流过它的时间很短，热量来不及交换，同时 粘性力作用也不显著之故。 2 3 2 端面两侧气体流量控制方程 在端面气体流量的推导中，假设开槽部分的压力不变后，则气体流量的计算可以分 两端进行，分别对向端面内侧和向端面外侧的泄漏量进行分析。 n a v i e r - s t o k e s 方程为： a z u 1 印 a z 2 ，7o r 望。0( 2 1 7 ) a z 望：o 式中： 口为气隙内气流速度( m s ) ； ，7 为气体粘度； p 为气隙内任压力( p a ) ； 厂为气足任一半径( r a m ) 。 速度边界条件为：z10 处，“t0 ；zi h o 处，“i l l0 。 压力边界条件：厂= r d 2 处，p - p 。；，- 一r d l 处，p p 。；r r 2 处，p p 。 对( 2 1 7 ) 式进行二次积分，代入边界条件，移项后得： 尘i l l 一墼( 2 1 8 ) 、z l 6 ， d r 万础0 3 式中：聊为质量流量( k g s ) ：p 为空气密度( k g m 3 ) ；负号表示压力沿气体流动方 向下降。 考虑到空气的可压缩性，认为气体过程是等温的，得到状态方程：p p 。r t ，代 入( 2 1 8 ) 式，分离变量得： p d p 一等 ( 2 1 9 ) t t t l o 。 ， 静压干气密封研究 式中：r 为气体常数( j k g k ) ；t 为绝对温度( k ) ；h o 为气膜厚度( m m ) 。 对( 2 1 9 ) 式进行积分，可求出半径，处压力，分别代入边界条件，得： 两华人学硕十学位论文 m t 刀肌一a + 只。 ( 2 2 4 ) 根据润滑气体流量相等原理： m l + m 2 一m( 2 2 5 ) 将式( 2 2 1 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 代入( 2 2 5 ) 式就可以得出薄膜厚度的计算公式如 下： 得到： h o i i 磷一砖l 哎一砭 h ( ) m ( 。) ( 2 2 6 ) 式中： 妒流量函数5 妒流量系数( 一般取0 8 ) 。 通过这个公式就可以把薄膜厚度与槽内压力最两个变量联系起来，找出他们的联 系，通过给定的薄膜厚度h 。计算出槽内压力尼，这样密封的边界条件就得到了很好的解 决，可以对密封性能进行更加准确的分析研究。 2 5 小结 本章介绍了静压干气密封的工作原理及其典型结构，建立t # i n 压式静压干气密封 端面气膜的几何模型、控制方程，利用端面两侧气体流量控制方程与节流孔气体流量控 制方程进行联立，求解出外加压式静压干气密封端面开槽内部的压力，解决了计算端面 间气膜特性的边界问题。 静压干气密封研究 3 静压干气密封特性分析 3 1密封端面受力分析 干气密封动、静环在工作环境下，受力情况较为复杂，具有多样性。归纳起来作用 在密封环上的外力主要有以下几项：被密封流体介质压力、阻封( 或缓冲) 流体压力、 弹簧力、端面间气膜压力、端面接触压力( 即端面压比) 、辅助密封圈支承反力、密封 环自身重力、动环运动时产生的离心力和端面上的扭矩等。在干气密封中，一般把密封 环所受的力简化为两种力，即开启力和闭合力。把使动环和静环压紧的力称为闭合力( 用 f c 表示) ，包括被密封流体介质压力、阻封流体压力、弹簧力等：把使动环和静环分开 的力称为开启力( 用f o 表示) ，开启力主要由端面气膜压力组成。动、静环间的间隙用 l i o 表示。 由于干气密封的静环是非平衡型，静环所受力为弹环的弹力、被密封流体介质压 力、阻封流体压力等，其中，把与弹环弹力方向相同的力称之为密封端面闭合力，用 f c 表示，它使动环、静环紧贴在一起；而把与弹簧弹力方向相反的力称为密封端面丌启 力，用f o 表示，它使动、静环分开。如图3 1 所示。 静 问 开启力f 0 弹簧载荷+ 流体载荷 静环动环 流体静压力+ 流体动压力 图3 1 密封端面力平衡图 f i g 3 1d r yg a ss e a lf a c ef o r c ee q u i l i b r i u m 在正常工作状态下，即动环与静环之间的间隙在一定范围内，闭合力等于开启力。 在外部条件改变时，一般来说，旋转轴转速不会变化，主要是气源压力变化。当气源压 力降低时，形成气膜的开启力逐渐减小，开启力小于闭合力，此时，动环与静环之问的 间隙逐渐变小，气膜厚度逐渐减小；气膜厚度逐渐减小，气膜的反作用力将逐渐增大， 西华人学硕+ 学位论文 这时，开启力又大于闭合力，迫使动静环密封端面之间的间隙增大并恢复到正常值。当 气源压力增加时，气膜厚度逐渐增大，形成气膜的开启力逐渐减小，开启力小于闭合力， 此时，动环与静环之间的间隙将逐渐变小，气膜厚度逐渐减小；气膜厚度逐渐减小，气 膜的反作用力逐渐增大，这时，开启力又大于闭合力，迫使动静环密封端面之间的间隙 增大并恢复到正常值。 3 2 影响密封性能的主要参数 干气密封的性能主要体现在密封运行的稳定性( 或者说使用寿命) 和密封的泄漏量。 影响干气密封泄漏量的直接因素就是干气密封的气膜厚度，也就是干气密封运转时密封 面间形成的工作间隙。工程上一般将影响干气密封性能的参数分为密封槽型几何参数和 密封操作参数1 5 1 1 。 3 2 1密封槽型几何参数 干气密封槽型几何参数有：槽形状、槽深度、槽数量、槽宽度、槽长度等。 ( 1 ) 槽形状 从流体动力学的角度来看，在干气密封端面开设任何形状的沟槽，都能产生动、静 压效应。理论研究表明，对数螺旋槽产生的流体动、静压效应最强，用这种形状的沟槽 形成的气膜刚度( 气体压力梯度和气体厚度的物理量) 最大，干气密封的稳定性最好。 ( 2 ) 槽深度 流体动力学表明，干气密封端面的槽深度与气膜厚度为同一数量级时的气膜刚度最 大。在实际应用中，干气密封端面的槽深一般为3 1 0 f , m 。在其余参数确定的情况下， 干气密封端面的槽深度有一最佳深度值。 ( 3 ) 槽的数量、宽度和长度 流体动力学研究阐明，干气密封端面的槽数量趋于无限多时，动、静压效应最强。 然而，当槽数量达到一定数量时，再增加槽数对干气密封性能的影响已经很小了，而实 际上，在有限单元内也不可能开设无限多个槽。干气密封端面槽宽度越宽，气膜刚度越 大，但在有限单元上，槽数量与槽宽度是一对矛盾。槽的长度越长，气膜压力越大，但 实际上也不可能开设很长，这既要考虑密封腔尺寸，又要考虑静环的材质强度。 3 2 2 密封操作参数 密封操作参数主要是对泄漏量的影响，主要参数有：密封直径、转速、密封气压力 以及工作介质温度、粘度。 密封直径越大，转速越高，密封环线速度越大，干气密封的泄漏量就越大。不难想 象，在密封工作间隙一定的情况下，密封气压力越高，气体泄漏量越大。而工作介质温 度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质粘度有影响而造成的。 静压干气密封研究 介质粘度增加，动压效应增强，气膜厚度增加，但同时流经密封端面间隙的阻力增 加。因此，对密封泄漏量的影响不是很大。 3 3 表面粗糙度分析 表面粗糙度( s u r f a c er o u g h n e s s ) 是加工表面上较小间距和峰谷所组成的微观几何 特性，一般由所采用的加工方法和( 或) 其它因素形成的【5 2 巧引。按照此定义，用非切削 加工方法所得的表面，其微观几何形状特性也属于表面粗糙度。表面粗糙度具有细密空 间不规则性，其高度、宽度和方向形成了表面的才、主要结构。一般情况下，粗糙度体 现了表面加工方法的固有性。对密封端面的物理性( 如表面应力、硬度、光洁度等) 和 表面缺陷( 如划伤、飞边、毛刺等) 是不认为在表面粗糙度范围之内的。 密封端面的表面粗糙度指经过机加工后的密封端面，由于在加工过程中受到工件表 面与刀刃的摩擦，机床、刀具、工件系统的振动，以及刀具形状、切削用量、切屑分离 时的塑性变形等因素的影响，留下了许多微小的凹凸不平的痕迹。这些痕迹是由许多凸 峰和凹谷组成的，这就是所谓的微观几何形状误差，即表面粗糙度。表面粗糙度与表面 波度之问是有差别的，两者主要差别就是波长不同。 表面几何特征采用形貌参数来描述，最常见的端面形貌参数是表面粗糙度。表面粗 糙度参数这一概念开始时就是为了研究零件表面和其性能之间的关系，实现对端面形貌 准确的量化的描述。表面粗糙度对机器零件表面性能的影响从1 9 1 8 年开始首先受到注 意，在飞机和飞机发动机设计中，由于要求用最少材料达到最大的强度，人们开始对加 工表面的刀痕和刮痕对疲劳度的影响加以研究。随着加工精度要求提高以及对具有特殊 功能零件表面的加工需求，提出了表面粗糙度评价参数的定量计算方法和数值规定，同 时许多国家规定了相应标准及国际标准。 评定表面粗糙度可以通过轮廓仪测量垂直于表面的二维截面上轮廓变化情况。一维 形貌参数种类繁多，其主要评定参数有： ( 1 ) 轮廓算数平均偏差( 中心线平均值) 尺。 轮廓算数平均偏差或称为平均粗糙度，是指表面轮廓在取样长度内测量轮廓上各点 到轮廓中线偏距绝对值的总和算数平均值。它是目前各国表面粗糙度标准中广泛采用的 参数之一。其表达式为： 1，1一 尺；，i z m 。三y 训 ( 3 1 ) f j o i 。 以钉。 算数平均偏差兄只是反映在取样长度内轮廓随机分布高度偏差离概率分布中心的绝对 值平均情况，其幅值不能真实反映出表面轮廓的离散性能和波动性，因此不宜用作评定 表面使用性能的依据，故本文不采用此参数。但是由于其定义与测量仪表读数的设计原 理一致，至今仍被作为衡量表面粗糙度的主要参数。 西华大学硕十学位论文 ( 2 ) 轮廓最大高度r 。，或6 轮廓最大高度6 也称为最大峰谷值，是取样长度内表面轮廓上经常出现的微观不平 度的最大高度。确定其数值时应除去偶然划痕或尘埃微粒而产生的个别特别大高度。在 实际测量时，经常以五段取样长度内的几点最大高度的平均值来表示。它表示了表面粗 糙度的最大起伏量。 ( 3 ) 平均根偏差或尺。 平均平方根偏差简称为均方根偏差，它是表面轮廓在取样长度内测量轮廓上各点到 中线距离平方和的平均值的平方根，其表达式为： 1。111 仃一哼f z 2 0 ) 出) j 一咳( z t ) 2 】- ( 3 2 ) 均方根偏差不但与每一测量点从中线至轮廓的高度偏差有关，而且对其中较大测量 高度和较小测量高度值较为敏感，这表明在有些情况下它比算数平均偏差尺。值更优越 些。 一般情况下，算数平均偏差尺。和均方差根偏差仃之间存在一定的比例关系，当表 面轮廓高度按正态规律分布时，仃一1 2 5 见。如果表面轮廓高度分布不对称，由于均方 根偏差d 对较大和较小的高度比较敏感，则仃与疋的比值也随着增加。 除了上述所讲的评价参数外，通常见到的对表面粗糙度的评价参数还有：微观不平 度十点平均高度r z ( a v e r a g ep e a k t o - v a l