（机械工程专业论文）2mcl455—12型压缩机密封系统改造的研究分析.pdf

北京化工大学工程硕士学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产 权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在j l - 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名： 导师签名： i i e l 期：型z ： 日期：兰盟：竺 摘要 ，、1i一 学位论文数据集 学位论文数据集 l i i ii ii tl lii i1 t i l lu l y 1810 2 7 3 中图分类号 t h6 学科分类号 0 7 。；o o 论文编号 f 阳l 口工n - l 氓“ 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 主广罄 学号 丙；o 誓 获学位专业名称 扒馘2 缝 获学位专业代码d 扣乙 、 课题来源 赵汲识辽 研究方向 趴碱纭们 论文题目 一2 r c la - y r 一，z 娶户、枞们穗锄处号厮移漱 关键词 讪巅密讥i = 蓉狐干己象切 7 、 历a 砧彼 论文答辩日期 - - 7 论文类型 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位 学科专长 指导教师 ? 巾幢茄掐 托五f i ，- - j - t , 驾 评阅人1 薹虚二知履、l 吧，l 丧髻 评阅人2 h 氆凯高，懈碱执喷，云l 评阅人3 虱f 投硪知稻：l 门扎善、氏秀 评阅人4 评阅人5 椭员蝴 洒无扒船善卉矾b “锄3 答辩委员i 互龟鲁表蝮j 嚆匕氏骘 答辩委员2 燃南稳 多0 ，2t 秀 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注： 四 一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在氍中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 l， 、-l一 摘要 2 m c l 4 5 5 12 型压缩机密封系统改造的研究分析 摘要 本文针对2 m c l 4 5 5 一1 2 型气体压缩机的工作特点，在综合国内 外的大量文献资料的基础上，对目前应用的各类机械密封形式进行 了系统的比较分析，将2 m c l 4 5 5 - - 1 2 型压缩机所应用的浮环密封与 干气密封进行了综合比较，并进一步探讨了干气密封装置应用在大 型压缩机组的可行性和优越性。 针对中国石油前郭石化分公司催化车间2 m c l 4 5 5 一1 2 型富气压 缩机工况，分析了原有浮环密封装置存在的问题，系统阐述了浮环 密封的应用情况，并对其进行改造方案的比较，从理论上对干气密 封的端面流场进行了计算，并对影响密封泄漏的因数进行了分析。 从理论基础到实际应用分析，确定了在2 m c l 4 5 5 - - 1 2 型压缩机上设 计应用螺旋槽干气密封的可行性，并设计了干气密封系统控制装 置。通过理论设计和实际校核，使用干气密封代替原来的浮环密封， 可以有效地减少富气的泄漏量，节约生产成本，改善压缩机的工作 性能。 关键词：压缩机，机械密封，浮环密封，干气密封，螺旋槽，机组 轴封改造 北京化工大学工程硕士学位论文 iil，j亨 f b 摘要 t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ns y s t e m r e f o r m so f2 m c l 4 5 5 1 2c o m p r e s s i o ne n g i n e s s e a l a b s t r a c t a c c o r d i n g a s2 m c l 4 5 5 _ _ _ _ - 12 t y p e sg a sc o m p r e s s o r sj o b s c h a r a c t e r i s t i c ，o nb a s i so fs y n t h e s i z i n gl a r g ea m o u n to fh o m ea n d o v e r s e a sd o c u m e n td a t a ，t h es y s t e m a t i c a lc o m p a r i s o na n da n a l y s e so n a l lk i n d so fa p p l i c a t i v em e c h a n i c a lh e r m e t i cs e a l sw e r ec a r r i e do n t h e f l o a t i n gr i n g ss e a la n d t h ed r yg a ss e a lu s e df o r2 m c l 4 55 - - 12t y p e s c o m p r e s s i o ne n g i n e sw e r ec o m p a r e d t h ep r o b a b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y o fa p p l y i n gt h ed r yg a ss e a li ng e n e r a lc o m p a r i s o no nh e a v yd u t yw e r e f u r t h e rd i s c u s s e d b yt h ec h i n e s ep e t r o l e u mq i a ng u op e t r o l e u ma n dc h e m i c a l b r a n c hc o m p a n yc a t a l y z e sr i c hw o r k s h o p2m c l 4 5 5 m 12t y p e sg a s e s c o m p r e s s i o ne n g i n ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，t h ep r o b l e m se x i s t e di n o r i g i n a lf l o a tr i n gs e a lw a sa n a l y z e da n dt h ec o m p a r i s o n so fa l t e r a t i o n s c h e m e sw e r ec a r r i e do u t t h ef l o wd i s t r i b u t i o na n dt h ea f f e c t i n gf a c t o r o fs e a l i n gl e a k a g ei np r o g r e s st oo nt od o i n gt h ee n df a c et h a tt h ed r y g a ss e a lw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y f r o mr a t i o n a l et or e a l i t y ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e v i c ed e s i g n i n gt h a tt h eh e l i c a lf l u t ea p p l i e dt h ed r y g a ss e a l su n d e rt h ec o n t r o lo fo n2m c l 4 5 5 - - 12t y p e sc o m p r e s s i o n e n g i n e sh a v ea s c e r t a i n e d d e s i g np r o o f r e a db yt h e o r yw a sp u ti n t ou s e f o rd o i n gg a sh e r m e t i cs e a l i n gr e p l a c eo r i g i n a lf l o a t i n gt ob ee n c i r c l e d b yh e r m e t i cs e a l i n ga n dc a nc u td o w nr i c hg a sl e a k a g ea m o u n t s ，s a v i n g c o s to fp r o d u c t i o na n di m p r o v i n gac o m p r e s s i o ne n g i n ee f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：t h ec o m p r e s s i o ne n g i n e ，m e c h a n i c a ls e a l ，f l o a t i n gr i n g s e a l i n g ，t h ed r yg a ss e a l ，t h eh e l i c a lf l u t e ，a i r c r a f tc r e w s h a f ts e a lr e f o r i l l i i i 北京化工大学工程硕士学位论文 i v - 1 一 j 目录 目录 第一章导论1 1 1 机械密封的历史和发展趋势1 1 2 气体端面密封的理论研究状况3 1 3 课题来源及背景4 第二章目前化工装置常用的机械密封形式。7 2 1 迷宫密封的概述7 2 2 浮环密封的概述7 2 2 1 浮环密封结构及工作原理8 2 2 2 浮环密封的优、缺点9 2 3 干气密封的概述1 0 2 3 1 干气密封的基本原理1 l 。 2 3 2 干气密封的总体结构形式1 4 2 3 2 1 单端面干气密封1 4 2 3 2 2 双端面干气密封1 5 2 3 2 3 串联式干气密封1 5 2 3 2 4 中间带迷宫的串联密封1 6 2 4 几种密封形式的比较1 7 第三章2 m c l 4 5 5 1 2 型压缩机的密封系统1 9 3 1 气压机简介1 9 3 22 m c l 4 5 5 一1 2 型压缩机采用的密封系统简介2 0 3 2 1 浮环密封原理及结构简介2 1 3 2 2 浮环压差控制系统简述2 2 3 2 3 浮环密封装置运行情况统计2 4 3 3 压缩机存在的问题2 5 3 3 1 浮环失效原因分析：2 6 3 3 2 浮环失效处理：2 8 第四章2 m c l 4 5 5 1 2 型压缩机密封改造的分析。2 9 4 1 改造前期的技术准备及螺旋槽干气密封性能参数2 9 v 北京化工大学工程硕士学位论文 4 22 m c l 4 5 5 1 2 型压缩机密封改造理论的分析3 0 4 2 1 干气密封端面的流场计算3 3 4 2 1 1 流体动压效应3 3 4 2 1 2 控制方程一雷诺方程3 5 4 3 螺旋槽干气密封端面流场计算实例3 6 4 3 1 模型的建立3 7 4 3 2 计算实例分析3 9 4 3 3 结论分析4 l 4 4 影响密封泄漏的因数分析4 l 4 4 1 气体压力对泄漏量的影响4 2 4 4 2 密封尺寸对泄漏量的影响4 2 4 4 3 气体粘度对泄漏量的影响4 3 4 4 4 槽深对泄漏量的影响4 3 4 4 5 转速对泄漏量的影响4 4 4 4 6 槽径比对泄漏量的影响4 5 4 5 富气压缩机干气密封参数选取：、4 5 第五章2 m c l 4 5 5 - - 1 2 型压缩机密封改造方案及手段4 7 5 1 改造以后的双端面干气密封装置的装配图4 7 5 2 改造后干气密封工艺系统的流程模拟流程图4 8 5 3 干气密封连锁装置的设置4 9 5 4 双端面干气密封控制系统的设置5 0 5 5 干气密封装置的经济效益分析5 0 5 5 1 采用浮环密封的运行费用5 1 5 5 2 采用干气密封的运行费用5 1 5 5 3 两种形式密封运行费用的对比5 2 5 6 本章结论5 2 第六章主要结论与展望。5 3 6 1 主要结论5 3 6 2 展望5 4 参考文献。5 5 致谢5 7 v i 。1lij， c o n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 l 1 h i s t o r ya n dd e v e l o p i n gt r e n dt h a tm e c h a n i c a ls e a l s 1 1 2t h et h e o r yt h a tg a se n df a c es e a l ss t u d i e ss t a t u s 3 1 3p r o b l e ms o u r c ea n d b a c k g r o u n d 4 c h a p t e r 2c o m m o nu s es e a l sf o r mi nc h e m i c a li n d u s t r yd e v i c e m a c h i n e r ya tp r e s e n t 7 2 1s u m m a r yo ft h em a z e s e a l s 7 2 2t h es u m m a r yo f f l o a t i n gr i n gs e a l i n gu pc o m p l e t e l y 7 2 2 1t h ep r i n c i p l eo fs e a l i n gs t r u c t u r ea n dw o r ko ff l o a t i n g r i n gs e a l i n gu p c o m p l e t e l y ，8 2 2 2a d v a n t a g ea n ds h o r t a g eo f f l o a t i n gr i n gs e a l i n gu pc o m p l e t e l y 9 2 3t h es u m m a r y o nt h ed r yg a ss e a l s 10 2 3 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo nt h ed r y g a ss e a l s 1l 2 3 2t h es t r u c t u r ef o r mo nt h ed r y g a ss e a l s 1 4 2 3 2 1d r y g a sh e r m e t i cs e a l i n gw i t hs i n g l ee n df a c e 1 4 2 3 2 2d r yg a sh e r m e t i cs e a l i n gw i t hd o u b l ee n df a c e s 15 2 3 2 3i n - l i n es t y l eg a sh e r m e t i cs e a l i n g 1 5 2 3 2 4t h em a z ec a s c a d es e a l si na ni n t e r m e d i a t ez o n e 1 6 2 4c o m p a r i s o no fs e v e r a ls e a lf o r m s 1 7 c h a p t e r32m c l 4 5 5 1 2t y p e sc o m p r e s s i o ne n g i n e sh e r m e t i cs e a l i n g s y s t e m 19 3 1ab r i e f i n t r o d u c t i o no fa i rc o m p r e s s i o ne n g i n e s 。1 9 3 2h e r m e t i c s e a l i n gs y s t e mb r i e fi n t r o d u c t i o no f2m c l 4 5 5 1 2 t y p e s c o m p r e s s i o ne n g i n e sa d o p t 2 0 3 2 1t h eb r i e f i n t r o d u c t i o no f p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ff l o a tr i n gs e a l i n g 2 1 3 2 2t h eo u t l i n eo ft h ep r e s s u r ed i f f e r e n c ec o n t r o ls y s t e mo f f l o a t i n gr i n gs e a l i n g 2 2 3 2 3f l o a t i n gr i n gs e a l i n go p e r a t i o ns t a t i s t i c 2 4 3 3c o m p r e s s i o no f e n g i n ep r o b l e m s 2 5 3 3 1a n a l y s i so f c a u s e so f f l o a t i n gr i n gs e a l i n gf a i l u r e 2 6 3 3 2h a n d l i n go ff l o a t i n gr i n gs e a l i n gf a i l u r e 2 8 c h a p t e r 4 r e f o r m i n go f 2m c l 4 5 5 12t y p e sc o m p r e s s i o ne n g i n e s s e a l i n g 2 9 4 1t h et e c h n o l o g yp r e p a r a t i o na n dh e l i c l af l u t er e f o r m i n go f ag a ss e a lf u n c t i o n p a r a m e t e ra tt h ee a r l i e rs t a g e 2 9 4 2 t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f2m c l 4 5 5 - 1 2t y p e sc o m p r e s s i o ne n g i n e ss e a l r e f o r m i n g 3 0 4 2 1t h ef l o wd i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o no fad r yg a ss e a le n df a c e 3 3 4 2 1 1f l u i dd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t 3 3 4 2 1 2u n d e rt h ec o n t r o lo fe q u a t i o nr e n a u l te q u a t i o n 3 5 4 3t h ec a l c u l a t i n ge x a m p l eo ff l o wd i s t r i b u t i o no ft h eh e l i e l af l u t eo f t h ee n df a c e g a s s e a l 3 6 4 3 1t h em o d e lb u i l d i n g u p 3 7 4 3 2c a l c u l a t ee x a m p l ea n a l y s i s 3 9 4 3 3t h ec o n c l u s i o na n a l y s i s 4 1 4 4a f f e c tt h ef a c t o ra n a l y s i so fs e a l i n gl e a k a g e 4 1 4 4 1i m p a c to fg a sp r e s s u r eo nl e a k a g ea m o u n t s 4 2 4 4 2s e a lo f fa ni m p a c to f d i m e n s i o no nl e a k a g ea m o u n t s 4 2 4 4 3i m p a c to fg a sv i s c o s i t yo nl e a k a g ea m o u n t s 4 3 4 4 4i m p a c to fs l o td e p t h so nl e a k a g ea m o u n t s 4 3 4 4 5i m p a c to fr o t a t i o nr a t eo nl e a k a g ea m o u n t s ”4 4 4 4 6 i m p a c to fs l o tf o o t p a t hr a t i oo nl e a k a g ea m o u n t s 4 5 4 5 c h o i c eo ft h ep a r a m e t e ro ft h er i c hd r yg a sc o m p r e s s i o ne n g i n eg a ss e a l 4 5 c h a p t e r5t h es c h e m e a n dm e a n so f2m c l 4 5 512t y p e s c o m p r e s s i o ne n g i n e sh e r m e t i cs e a l i n gr e f o r m - 4 7 5 1a s s e m b l i n gd r a w i n go fr e f o r m i n go fd o u b l ee n df a c e sg a ss e a l 4 7 5 2af l o wc h a r to fag a ss e a lh a n d i c r a f ts y s t e ms i m u l a t e so ft h et e c h n o l o g i c a l p r o c e s sr e f o r m i n g ”4 8 5 3 s e t u po fag a ss e a lc h a i nd e v i c e 4 9 5 4s e t u po fc o n t r o ls y s t e mo fd o u b l ee n df a c e sg a ss e a l 5 0 5 5t h ee c o n o m i ca n a l y s e so n ld r yg a ss e a l 5 0 5 5 1t h eo p e r a t i o nc o s to ff l o a t i n gr i n gs e a l i n gu pc o m p l e t e l y 5 1 v m 目录 5 5 2t h eo p e r a t i o nc o s to ft h ed r yg a ss e a l s 51 5 5 3c o n t r a s to f o p e r a t i o nc o s to ft w os e a lf o r m s 5 2 5 6c h a p t e rc o n c l u s i o n 5 2 c h a p t e r6t h em a i nc o n c l u s i o na n dl o o k i n gi n t ot h e d i s t a n c e 5 3 6 1m a i nc o n c l u s i o n 5 3 6 2e x p e c t a t i o n 5 4 r e f e r e n c e s ：，： 一 一 _ _ c o n v e y t h a n k s 5 7 北京化工大学工程硕士学位论文 卜时间，s 旷泄漏量，k g s 尸厂稳态压力，p a 如一内径处压力，p a r h 厂外径处压力，忍 尸f 厂参考压力，心 憎一动压槽内径，m 白广动压槽外径，m ，p ，z 一柱座标系 l 广密封环表面切向速度，m s 口一螺旋方向 秒一圆周方向 ，6 一平衡直径，m m j | l 厂槽深，u m 符号说明 x | i 广坝区气膜厚度，u m 弘槽数，个 尸旷- 外压力，p a 辟一内压力，p a f 广密封开息力，n g - 动压槽深，m r 动态压力，尸口 w ，一密封台宽度，m m w 暑一密封槽宽度，m m 力一轴转速，r a d s 一螺旋角 嘶一形函数m 一流体粘度，p a s 一转速，r p m k 一 第一章导论 第一章导论 1 1 机械密封的历史和发展趋势 机械端面密封( m e c h a n i c a lf a c es e a l ) 是一种轴向端面密封，也称机械 密封或端面密封，是常用的旋转轴密封。尤其在石油化工装置中应用极为普遍。 历史上第一个机械密封出现在英国，二十世纪初机械密封得到了广泛的应用 与发展。1 8 9 0 年机械密封开始应用于轴承。1 9 0 8 年出现了轴向移动的密封环 密封技术心1 。1 9 1 3 年在汽轮机上应用了双端面密封；1 9 1 9 年出现单端面机械 密封；1 9 2 0 年小型家用冷冻压缩机和汽车上水泵的轴封已经普遍采用了机械 密封。1 9 3 0 年用于内燃机水泵轴封( 最大p v 值为3 4 m p a m s ) 。1 9 4 0 年应 用机械密封成功解决了轻烃泵密封问题。自1 9 4 0 年起主要改进密封面材料， 1 9 4 5 年出现了陶瓷、石墨、硬质合金材料的密封，加工精度大为提高，表面 精度由粗糙度r a 为0 4 i lm 提高到r a 为0 2 - - 0 1l im ，同时在结构上出现了 平衡型机械密封，中间环密封和其它专利的机械密封，并在石油化工机泵中使 用，将p v 值提高到8 0 m p a m s 。 在二十世纪6 卜8 0 年代，由于宇航、核电站、天然气输送和石油化学工 业的迅速发展的需要，以及电子计算机技术的发展和应用，促进了机械密封技 术的发展。在此阶段中，在流体动压润滑和流体静压润滑等理论指导下，引用 轴承等方面的先进技术，机械密封技术迅速发展，不仅出现了各种高参数和新 结构的接触式和非接触式机械密封，同时为了满足各种各样的要求又出现了组 合密封。 在接触式密封方面，由于核电和宇航的需要，高参数的机械密封发展较快， 各种新结构的密封也得到了迅速发展。1 9 6 2 - - - 1 9 6 3 年出现了高参数的热流体 动压机械密封。1 9 7 7 年出现了碳化硅和硅化石墨作摩擦副的机械密封， p v 值迅速提高到3 6 0 m p a m s 。新型结构的机械密封，如弹性变形波度密封、中 间多环密封、窄带接触密封、剖分环密封、集装式密封、监控密封等连续不断 地出现。从1 9 6 1 年起，出现了利用流体动压润滑和流体静压润滑原理的非接 触式机械密封。典型的密封有；周向圆弧槽，雷列台阶面和螺旋槽面的流体动 压密封。径向锥面台阶面和带凹槽节流孔的流体静压密封，将机械密封的p v 值提高到了5 0 0 m p a m s 。此外，机械密封与螺旋密封的多级组合密封，半接 触式变载荷系数机械密封，以及一些适用于更高参数和综合复杂条件的混合组 北京化工大学工程硕士学位论文 合密封与阻塞密封，都得到了广泛使用。图1 - 1 为典型的机械密封示意图。 i i 图1 - 1 机械密封示意图 1 一静环；2 一动环：3 一传动销；4 一弹簧；5 一弹簧座；6 一紧定螺钉；7 一传动螺钉； 8 一动环0 型圈：9 一静环0 型圈；1 0 一防转销 1 1 一压盖；1 2 - - 推环；1 3 一轴套；i 、v 、一泄漏点 f i g 1 - 1as k e t c hm a po fm e c h a n i c a ls e a l s l s t a t i cr i n g ：2 - - r o t a t i n gr i n g ：3 - - - d r i v i n gp i n ：4 一s p r i n g ；5 0 s p r i n gs e a t ： 6 t i g h ts t a b l es c r e w ；7 一d r i v es c r e w ；耻一m o v et h er i n g0t y p ec i r c l e ： 争ot y p ec i r c l eo ns t a t i cr i n g ：l o - - - g u a r da g a i n s tr e v o l u t i o no f p i n ： ll - g l a n d ：1 2 一p u s har i n g ：1 3 a x l cs l e e v e ：i 、v 、v i - - l e a k a g ep o i n t 从8 0 年代起，由于有了新理论的指导，以及新概念、新结构、新方法、 新技术、新工艺和新材料的应用，不断出现了更多新型密封。例如，利用某种 机构将封液( 或是从上游高压端泄漏出的液体) 从下游低压端泵送到( 回) 上 游，这就是。上游泵送 新概念口1 。利用“上游泵送一这一新概念，就可以产 生多种非接触式机械密封的新结构，其中有螺旋槽、圆弧槽、直线槽、径向直 槽、前后向流槽、雷列台阶面、斜平面、圆叶 密封。“上游泵送一新概念可以使非接触式密 反输量) ，甚至负泄漏( 反输量大于泄漏量) ， 总是泄漏的旧观念。 目前，机械密封技术向着高参数( 高速、 2 第一章导论 高性能( 干运转、无泄漏、无油润滑、含颗粒介质) 和高水平( 高p v 值、剖 分式、监控) 等方向的发展。 1 2 气体端面密封的理论研究状况 六十年代末期从气体润滑轴承的基础上发展起来的【2 】气体端面密封的概 念，其中以螺旋槽密封最为经典。1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n t 3 】采用复变函数保角 变换理论将螺旋槽模型转化成平面直线槽模型，并重点考虑了边缘效应，提出 了较完整的螺旋槽轴承理论。经过数年的理论研究，在七十年代，第一套商业 干气密封在美国面世，当时运行条件是2 7 6 m p a 压差和1 2 0 m s 的线速度，其 气体泄漏量仅为0 0 0 1 0 0 0 2 m 3 s 3 1 。 1 9 6 8 年，h s c h e n g 等【3 】学者对于介质为可压缩流体的端面密封的压力形 成和静态稳定性进行了讨论，阐述了端面间所存在的流体动压效应。1 9 7 0 年， g a r d n e r t 习将螺旋槽近似解析理论直接用于密封研究，对于弯曲且开有螺旋槽 端面机械密封的性能进行了研究。1 9 7 2 年，s m a l l e y t 4 】对平面、球面和柱面槽 型的气体端面密封进行研究分析，用直角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、功率消耗、泄漏量和刚度系数。1 9 7 3 年，s n e c k & m c g o v e r n 7 】提出了一种基于窄密封面的槽线建立r e y n o l d s 方程的解析方法， 但由于该方法的不严谨和不方便，未能获得广泛应用。1 9 7 8 年，g a b r i e l t 8 】对 螺旋槽非接触机械密封的基本问题进行较全面论述。 1 9 8 4 年，s h a p i r o 1 0 】在考虑了惯性力影响的情况下，研究了用于高速液氧 透平泵的螺旋槽机械密封。八十年代末期，a ol e b e c k 和l a y o u n g 提出 了一种波度一倾斜一坝( w a v y t i l t d a m ) 机械密封面新结构【9 1 ，a o l e b e c k 的试验表明，这种波动倾斜综合作用的气体密封具有泄漏小、摩擦 小以及抗液体阻塞能力强的特点，而且密封运转稳定可靠、寿命长。 目前干气密封理论都是在前人的理论基础上发展起来的，尤其是螺旋槽密 封近似解析方法，基本上均起源于m u i j d e r m a n 的螺旋槽轴承理论，由于该方 法的简洁实用而获得广泛的应用。 由于控制方程直接求解的困难，解析法不得不作必要的简化，随着计算机 的出现和发展，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。 求解r e y n o l d s 方程的数值方法总体上分为有限差分法和有限元法，这两种方 法均被广泛应用。g e r o 等【1 1 】针对这两种方法的计算精度、计算复杂程度和计 算成本进行了广泛的比较和评价，两种方法均有各自优劣。 其实早在1 9 6 7 年，j a m e s 等【1 2 】用有限差分法研究了气体润滑螺旋槽平面 北京化工大学工程硕士学位论文 推力轴承的性能。1 9 6 9 年，z u k 等【1 3 】用有限差分法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。1 9 7 9 年，m u r a t a 等【1 4 】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。 1 9 8 2 年，w a l o w i t 等【”】用有限差分法计算分析了中间开有矩形浅槽的机 械密封性能。1 9 8 8 年，l k e u c h i 等【1 6 】用有限差分法计算分析了圆周组合的机械 密封性能。1 9 9 1 年，l i p s c h i t z 等【 】用有限差分法计算分析了径向直线槽双向 螺旋气体推力轴承的性能。1 9 9 2 年，b a s u 1 8 】分别采用有限差分法和有限元法 计算分析了径向槽气体机械密封的性能。1 9 9 4 年，c l i e n i c k e 等【”】提到采用有 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 2 0 】用有限差分法计算设计了能反转的螺旋槽气体机械密封。2 0 0 0 年， z i r k e l b a c k 2 i 】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对密封性能的影响进行了研究，包括槽数、螺旋 槽角、槽宽堰宽比、槽长坝长比和槽深等，最后以最大端面比压为目标对其参 数进行优化，并给出优化结果。2 0 0 0 年，s h i f e n gw h 和r a y c l a r k 2 2 】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。他们使用 f l u e n t 4 5 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。 国内对于密封理论的研究起步较晚。1 9 9 0 年，王美华【2 3 】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【2 4 】用有限元法计算了圆弧槽气 体密封的特性。1