（化工过程机械专业论文）基于cfd的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 我国的干气密封产品主要依赖进口，干气密封技术的研究以及产品的开发尚 处于起步阶段，还未建立起一套完整的干气密封产品设计、开发以及制造体系。 因此，开展气体润滑密封技术的研究对于提高我国密封技术的整体水平，具有重 要意义。 本文利用c f d 软件之一一f 1 u e n t 软件对螺旋槽干气密封端面微间隙流场进行 了模拟，并将模拟结果同试验相结合对螺旋槽干气密封端面微间隙流场及密封性 能进行了研究。 首先从流体力学的角度，对层流和湍流分别进行了理论分析。其次，应用 f l u e n t 软件对螺旋槽干气密封间隙中气体可能发生的流动状态即层流和湍流分别 进行数值模拟，得到两种流态下的压力分布、速度分布以及泄漏量。再次，应用 模拟结果根据流动因子进行理论计算，同时将两种流态的泄漏量与其相同工况下 试验所测得的泄漏量进行对比分析，于是，综合理论计算和对比分析得出结论。 应用f l u e n t 软件，对有相同几何参数和操作参数的螺旋槽、圆弧槽、直线槽 干气密封的端面流场分别进行了数值模拟，并对它们的槽型参数进行了优化，同 时将优化后的三种槽型线干气密封的压力与泄漏量进行了比较。 螺旋槽干气密封运行的稳定性和可靠性主要取决于密封面产生的气膜刚度的 大小，由此，气膜刚度对螺旋槽干气密封稳定性有重要意义，本文利用f l u e n t 软 件对相同特定工况下六种不同膜厚的螺旋槽干气密封流场分别进行了数值模拟， 得到了压力分布，获得了气膜推力，再运用最小二乘法则拟合得到气膜推力关于 气膜厚度的解析式，最后求得气膜刚度。 在成都一通密封有限公司的1 8 0 0 0 转分高速离心压缩机密封试验台上对串联 式离心压缩机y t g - c t i i 型螺旋槽干气密封系统进行了试验研究。完成了气体端面 密封试验台的测试系统的总体方案设计、测试系统的硬件配置。测试了泄漏量、 功耗和气膜轴向刚度，给出了气体端面密封试验的测试结果，并与模拟计算近似 值比较，进行误差分析。试验测出数值与模拟结果较为吻合，表明利用c f d 对螺 旋槽干气密封端面流场进行模拟是可行的。 关键词：螺旋槽；千气密封；c f d ；数值模拟；流态分析；气膜刚度；密封性能 论文类型：应用基础 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fd r yg a ss e a lc o m e sf r o mt h ed e v e l o p e di n d u s t r i a lc o u n t r i e s ， a n do u rp r o d u c t sh a v er e l i e do ni m p o r tf o ral o n gt i m e o u rr e s e a r c ho nt h ed r yg a s s e a lt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fi t sp r o d u c ta r ej u s ta tt h eb e g i n n i n gs t a g e t h e w h o l es y s t e mo fd e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r eo fd r yg a ss e a lp r o d u c th a sn o t y e tb e e ns e tu p t h e r e f o r ec a r r y i n go u t i t sr e s e a r c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n go u rl e v e lo fd r yg a ss e a lt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , o n eo fc f ds o f t w a r e f l u e n ts o f t w a r ew a su s e df o rs i m u l a t i n gf 1 o wf i e l do fs p i r a lg r o o v ed r y g a ss e a l ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sr e s u l t sa n dt e s t i n gr e s u l t sw e r ec o m b i n e dt os t u d yt h ees p i r a lg r o o v eg a ss e a lm i c r o - g a pf l o wa n ds e a l i n g p r o p e r t i e s t h e o r e t i c a la n a l y s i so fl a m i n a ra n dt u r b u l e n c ew a sc a r r i e do u ts e p a r a t e l yf r o mt h e p e r s p e c t i v eo ff l u i dm e c h a n i c s a tt h es a m et i m e ，t w od i f f e r e n tf l o w i n gs t a t e o f i n t e r n a lm i c r o g r o o v et h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ef l o ww e r es i m u l a t e ds e p a r a t e l yb yt h e s o f t w a r eo ff l u e n t ，a n dt h e ng a i n e dt h ef l o wf i e l dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，v e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n dl e a k a g e a c c o r d i n gt of l o wf a c t o r , t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nw a sd o n eb y s i m u l a t i n gr e s u l t s a n dt h el e a k a g eo ft w ok i n d so ff l o wp a t t e r nw e r ec o m p a r e da n d a n a l y z e db yt h el e a k a g eo fe x p e r i m e n t s oc o m p o s i t i n gt h ea b o v et w o k i n d so fr e s u l t s ， s h o wt h a tf l u i ds t a t ei ns p i r a lg r o o v eg a sf a c es e a li sb a s e do nl a m i n a rf l o wi nc e r t a i n o p e r a t i n gc o n d i t i o n s d r yg a ss e a lf l o wf i e l do ft h es p i r a lg r o o v e ，c i r c u l a rg r o o v e ，s t r a i g h t - l i n eg r o o v e w i t ht h es a m eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sw e r es i m u l a t e db yf l u e n t ，a n dt h e i rg r o o v e p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ，l a s tb u tn o tl e a s t ，t h et h r e ek i n d so fo p t i m i z e dg r o o v e w e r ec o m p a r e d t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lo p e r a t i o nd e p e n d so no f t h es i z eo fs t i f f n e s sf i l m ，s og a sf i l ms t i f f n e s si si m p o r t a n tt of o rm a i n t a i n i n gt h e s t a b i l i t y o fs p i r a l g r o o v eg a s s e a l i nt h es a m e s p e c i f i cc o n d i t i o n s ，i n t e r n a l m i c r o g r o o v et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ef l o wo fs i xd i f f e r e n tg a sf i l mt h i c k n e s sw e r e s i m u l a t e db yt h es o f t w a r eo ff l u e n t ，a n dt h e nt h ef l o wf i e l dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n d r a d i a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw e r eg a i n e d s of i r s t l y ，g a sf i l mt h r u s to fd i f f e r e n tg a sf i l m t h i c k n e s sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hd y n a m i cp r e s s u r e ，t h e ng a sf i l mt h r u s tp o l y n o m i a l a b o u tg a sf i l mt h i c k n e s sw a sg a i n e dt h r o u g ha p p l y i n gl e a s t - s q u a r e sr u l et of i t ，l a s tb u t n o tt h el e a s t ，g a sf i l ms t i f f n e s sp o l y n o m i a la b o u tg a sf i l mt h i c k n e s sw a so b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fay t g c t i it y p eo fg r o o v ed r yg a ss e a lw a s i i c o n d u c t e do nt h e18 0 0 r r a i nh i g h s p e e dc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r t e s td e v i c ei nc h e n g d u y i t o n 2s e a lc o ，l t d t h er e s e a r c hf i n i s h e do v e r a l lp l a no f i n s t r u m e n t a t i o ns y s t e ma n d h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，t e s t e dl e a k a g e ，p o w e rl o s ea n dg a s e o u sf i l mr i g i d i t y , o b t a i n e d t e s tr e s u i t sa n da n a l y z e de r r o rb e t w e e nt e s ta n ds i m u l a t i o nd a t a c o m p a r i n gs o m ed a t a f r o me x p e r i m e n t sw i t ht h a to fa p p r o x i m a t es i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tu s i n gc f d t os i m u l a t et h es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lf l o wf i e l dw a sf e a s i b l e k e yw o r d s ：s p i r a lg r o o v e ；d r yg a ss e a l ；c f d ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f l u i d s t a t e 。 a n a l y s i s ；g a sf i l ms t i f f n e s s ；s e a l i n gp e r f o r m a n c e p a p e rt y p e ：a p p l i e df u n d a m e n t s i i i 基于c f d 的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究 插图索引 图2 1 产生流体动压效应的密封面流槽形状9 图2 2 螺旋槽干气密封结构1 0 图2 3 密封动环螺旋槽结构1 0 图2 4 螺旋槽干气密封工作原理1 1 图2 5 流体静压力分布1 1 图2 6 正常运转时气膜的压力分1 2 图2 7 间隙变化时气膜压力的分布1 2 图2 8 单端面密封1 3 图2 9 串联式密封1 4 图2 1 0 双端面密封1 4 图2 1 1 典型干气密封辅助系统1 7 图2 1 2 槽台示意图1 8 图3 1 润滑膜的简化模型2 0 图3 2 速度分解2 2 图3 3 螺旋槽干气密封的几何模型2 7 图3 4 计算区域网格2 8 图3 5 计算区域的边界条件 2 8 图3 6 层流气膜压力分布云图2 9 图3 7 湍流气膜压力分布云图2 9 图3 8 层流气体速度矢量图 3 0 图3 9 湍流气体速度矢量图 3 0 图3 1 0 层流气体径向速度矢量图3 0 图3 1 1 湍流气体径向速度矢量图3 0 图4 1 螺旋槽几何模型3 3 图4 2 圆弧槽几何模型 3 3 图4 3 直线槽几何模型3 3 图4 4 计算区域网格3 3 图4 5 螺旋槽端面气膜压力分布云图 3 5 图4 6 圆弧槽端面气膜压力分布云图3 5 图4 7 直线槽端面气膜压力分布云图 3 5 图4 8 螺旋槽端面气体速度矢量图 3 5 图4 9 圆弧槽端面气体速度矢量图 3 6 图4 1 0 直线槽端面气体速度矢量图3 6 i v 硕十学位论文 图4 1 1 螺旋槽的径向压力分布 3 6 图4 1 2 圆弧槽的径向压力分布 3 6 图4 1 3 直线槽的径向压力分布 3 7 图4 1 4 三种槽型线径向压力的分布图 3 7 图5 1 螺旋槽几何模型 3 9 图5 2 计算区域网格 3 9 图5 3 力严lum 螺旋槽端面气膜压力图4 1 图5 4h o = 2ui n 螺旋槽端面气膜压力图4 1 图5 5h o = 3um 螺旋槽端面气膜压力图4 l 图5 6h o = 3 5um 螺旋槽端面气膜压力图4 1 图5 7h o = 4 5l jm 螺旋槽端面气膜压力图4 2 图5 8h o = 5um 螺旋槽端面气膜压力图4 2 图5 9 不同膜厚的压力沿半径分布图4 2 图6 1 干气密封试验台示意图4 5 图6 2 数字式频率计工作原理图4 7 图6 3 电涡流传感器安装示意5 0 图6 4 泄漏量随转速变化曲线5 0 图6 5 泄漏量随介质压力的变化曲线5 1 图6 6 功耗随转速变化曲线5 2 图6 7 功耗随压力变化曲线5 3 图6 8 气膜刚度随转速变化曲线5 4 图6 9 气膜刚度随压力变化曲线5 5 v 基于c f d 的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究 附表索引 表2 1 端面材料的物理特性1 5 表2 2 动、静环配对材料1 5 表2 3 辅助密封圈的选择1 6 表3 1 密封环几何参数及工况参数 2 9 表3 2 两种流态和试验的泄漏量值 3 l 表4 1 密封环几何参数及工况参数3 4 表5 1 密封环几何参数及工况参数4 1 表5 2 不同厚度气膜所产生的推力4 3 表5 3 拟合数据4 3 表5 4 试验结果4 4 表6 1 不同转速下的泄漏量数值5 1 表6 2 不同压力下的泄漏量数值5 2 表6 3 不同工作转速下的功耗数值5 3 表6 4 不同工作压力下的功耗数值5 4 表6 5 不同工作转速下的气膜刚度数值5 5 表6 6 不同工作压力下的气膜刚度数值5 6 v i 硕+ 学位论文 符号注释表 a 一轴向刚度， i t m k n 巧一动环径向速度，m s 伊一槽深一半，g m k 气膜推力，n 厂一气膜与动环间的滑动摩擦系数 r 一槽深度变化的相对幅度 g 一螺旋槽数 珥一轴的转速，r m i n 一气体的动力粘度，p a s p f 一环境压强，p a p o 一介质压强，p a q 一泄漏量，m 3 s l 一外径，m m z 一工作温度，k k 一直线斜率 胎。一单独古埃特剪切流动的r e 数 妒一角度坐标 丁7 一一转轴扭矩n m m v w 一一摩擦功耗，w 一一周向速度，m s 尺g 邪一气体常数 口一螺旋角，弧度 力一密封端面间流体膜厚度，g m 万一两密封环间隙，g m a 广一槽台宽比 如一槽长坝长比 p 一润滑层中的压强，p a p 一气体密度，k g m 3 u 一动环平均线速度，m s 乃一一内径，m m ，密封环的半径，m m 见槽深，g m r 曲率半径，m m 船厂一单独泊肃叶径向流动的r e 数 卜槽底半径，m m s 应变量 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用 授权说明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 寓袭，捷 日期：7 , o 。年歹月弘日 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，即：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电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 鼋褰杰、南哟刊o 必弓 日期：弦p 年 月石日 日期：，o 年月，口日 硕十学1 _ 奇：论文 第1 章绪论 干气密封的概念是2 0 世纪6 0 年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的， 是对接触型液膜机械密封的改进n 1 。干气密封作为一种非接触式密封，因其极限速 度高，密封性能好，寿命长，不需要密封油系统，功率消耗少，操作简单及运行 维护费用低等优点而成为目前密封技术研究的热点，同时，因其不需任何密封端 面冷却和润滑用油的无维修密封系统，正取代浮环密封和迷宫密封而成为石化行 业高速离心压缩机轴封的主流他1 。 1 1 课题研究的意义 目前，国内外石化行业普遍使用离心式压缩机来输送各类工艺气体，这些气 体大多具有易燃、易爆、有毒的特性，如瓦斯，氢气等。为了防止或者限制这些 工艺气体沿压缩机旋转轴端部泄漏到大气中，须采用各种有效的轴端密封装置。 在整个压缩机系统中，轴端密封仅仅是一个很小的部件，但它往往能决定机器设 备的安全性、可靠性和耐久性，其作用对整台机器、整套装置乃至整个工厂的影 响都很大1 。特别在石油化工企业中，处理的大多是具有可燃性、腐蚀性、易燃及 有毒的介质，而且通常工作压力和温度较高，一旦密封失效，介质泄漏不仅污染 环境，影响人体健康和产品质量，而且往往会导致火灾、爆炸等重大事故。 密封技术虽然不是领先性技术，但往往是决定性关键技术。如火箭的液氧透 平泵、核能发电站中的主冷泵、高压聚乙烯的高压压缩机、铂重整装置的无油润 滑压缩机和聚丙烯的反应釜等许多机器设备的方案就取决于密封技术心1 。 密封还直接关系到能源和物料的节约问题。在整个能源消耗中，各种流体动 力机械占据的比例较大，这些机械的内漏或外漏，往往造成容积效率降低，其功 率损失达总功率的1 0 以上，小型机器甚至达4 0 - - - 5 0 。因此，提高压缩机 轴端密封运行的可靠性和稳定性，降低物料和能源的消耗，始终是石油化工设备 技术中的一个重要课题h 1 。 近年来随着密封技术的不断发展和完善，出现了一种称之为干式气体密封哺1 ( d r yr u n n i n gg a ss e a l ) 的新型轴封，解决了多年来机械密封一直不能干运转 的难题。这种密封采用气体作为密封介质，是一种非接触式新型轴端密封。相对 于传统的接触式机械密封，这类密封具有以下优点：运行无磨损，功耗小；泄漏 量小，可实现零泄漏或者零逸出。 在干气密封中，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。j o s e fs e d y 也证明了 螺旋槽是最适合于干气密封的槽形3 ，由此，本文通过c f d 软件之一一f 1 u e n t 软 件强大的计算能力和成熟的模拟功能，对螺旋槽干气密封端面流场及密封性能进 基于c f d 的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究 行了研究，这对保证螺旋槽干气密封安全、可靠、稳定和长周期运行具有重要的 学术价值和工程应用前景。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。 1 2 国内外研究历史与现状 1 2 1 理论研究 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。1 9 2 5 年，德国的 l g u 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 的窄槽理论开始的口1 。1 9 5 1 年，w i p p l e 提出了一种w i p p l e 窄槽理论，用于解可压缩或不可压缩流体的基本动力润滑方程， 他将轴承简化为两平行平面，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哺1 。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1 。 1 9 6 7 年，e a m u i j 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n0 1 。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 i j 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n 。1 9 6 9 年g a r d n e r 用解析法研究了结合流体静压原理和动压原 理的弧形螺旋槽端面非接触式机械密封n 射。同年，j o h nz 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， 横截面涡流的影响可以忽略n3 1 。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 密封性能，并将研究结果应用于潜水泵n 引。 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着计算机技术的飞速发展，尤其是在计算机的 计算速度和存贮能力得到大幅度提高以后，借助计算机，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n5 1 。在此基础上s h a p i r o 及w a f o w i t 等n 们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 2 硕十学位论文 泛的应用，一直沿用至今。19 7 9 年r a l p hp g a b r i e l 发表了螺旋槽气体润滑机 械密封的重要文献 “f u n d a m e n t a l so fs p i r a lg r o o v en o n c o n t a c t i n gf a c e s e a l s 。n 7 1 它总结了螺旋槽气体润滑机械密封发展到当时的典型结构，解释了密 封操作的基本原理，阐述了操作条件和设计参数对密封性能的影响。 2 0 世纪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。但研究仍在不断深入，1 9 9 4 年，c 1i e n i c h e 等 人采用有限差分法求解了开槽机械密封含湍流影响因子的流体动力润滑方程。 1 9 9 5 年，k o w a l s k i 用有限差分法计算并设计了能反转的螺旋槽干气密封n 引。端 面槽形从仅能单向旋转的螺旋形发展到具有反转特性的单向螺旋形，以及能双向 旋转的组合螺旋燕尾槽。2 0 0 1 年，b r a d n 叫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。 随着干气密封技术的不断发展，我国在8 0 年代中期，开始逐步引进国外干气 密封技术，应用于大型离心压缩机。同时，国内有关的研究机构也相继对干气密 封进行了一些研究。中国石油大学在顾永泉教授等人的带领下，发表了一些关于 干气密封原理和设计理论的研究。四川i 密封技术研究所的彭建、北京化工大学机 电工程学院的林培峰等人，也对螺旋槽干气密封的优化设计发表了研究论文。目 前，干气密封技术的研究、开发主要体现在提供流体动压的槽型参数设计上，如 圆弧槽、螺旋槽、t 形槽、v 形槽、u 形槽等。1 9 9 6 - - 1 9 9 9 年，四川大学的宋鹏云， 陈匡民，以及四川i 密封件有限公司的彭建等人进行了密封端面开槽技术的理论研 究和试验，比较了不同槽型的干气密封性能心玑2 。目前应用比较成熟的是，单向 旋转采用的螺旋槽，双向旋转采用的t 形槽。单就螺旋槽的设计而言，槽的型式、 数量、长度、宽度以及距离中心的位置等等，都将视具体工况而定。 目前，北京化工大学的蔡纪宁，张秋翔等人在干气密封实验研究及动态稳定 性分析方面做了一些工作，发表了高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分析 的论文凹2 j ，利用一种高阶形函数有限元法求解微扰雷诺方程，得到了气体密封关 于轴向微扰的一些动态参数，如密封的动态刚度和阻尼。上海交通大学动力机械 工程学院的王彤博士将微尺度效应理论应用于螺旋槽干气密封的流动中，在工程 热物理学报上发表了微尺度效应对螺旋槽干气密封的影响的论文。这对干 气密封技术的应用具有十分重要的理论指导意义。 1 2 2 实验研究 实验研究是气体端面密封的研究与发展的一个必不可少的重要环节。但由于 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 i j 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 8 4 年e t s i o n 对非接触式锥面机械密封的动态性能作了试验，他用3 个传 感器来监测补偿静环的工作情况，证实了密封工作的稳态和过渡态分别向不稳态 3 基于c f d 的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究 状态转变，并对密封失效原因和稳定工作时的其它现象作了解释心引。1 9 8 9 年 k o l l i n g e r 从理论和试验上对气体润滑机械密封的振动特性进行了分析，说明了轴 向激励振动对气体润滑密封稳定运转的影响乜引。1 9 9 1 年，b r a u n 等人心6 1 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。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 乜刀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 心引对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 0 0 3 年徐万孚等设计制造了 w a n - d e f 2 8 8 型螺旋槽干运行非接触气体密封，并进行了工业模拟运行试验与检验， 分析了气体端面密封动态稳定性特性，提出了密封系统“角相气膜振荡 的危险 现象及其抑制它发生的原理乜9 1 。2 0 0 5 年陈铭等采用电涡流位移传感器、金属管浮 子流量计、多功能智能转速仪、电阻应变式扭矩仪对气膜厚度、泄漏量、转速、 扭矩等进行了测量口0 1 。在实验研究气体端面密封性能方面，国内学者研究较少而 国外学者较多m 3 2 3 1 。 1 2 3 干气密封产品的设计、开发和应用 1 9 6 8 年，约翰克兰公司的伽德纳研制并试验出圆弧面螺旋槽非接触式机械密 封，获得美国专利3 4 9 9 6 5 3 。该公司从2 0 世纪7 0 年代初期开始，陆续推出其适 用于离心压缩机的2 8 型系列干气密封。目前，2 8 型系列有2 8 l d 、2 8 、2 8 a t 和 2 8 n e 四种基本型式引。j o h nc r a n e 公司还推出了泵用干气密封系列和反应釜和 搅拌器用干气密封系列。到1 9 8 5 年时，螺旋槽干气密封已获得了广泛的商业应 用。目前，该公司的2 8 型系列干气密封已经成为一种工业标准配置，被广泛应用 于石油化工等行业。 除j o h nc r a n e 外，国外比较著名的开发、生产干气密封产品的公司还有像 美国的f l o w s e r v e 公司、德国的b u r g m a n e 公司以及日本的e k k 公司。 f l o w s e r v e 公司现有g a s p a c 系列压缩机用干气密封产品，具有槽形独特，辅助 密封可靠的特点。b u r g m a n e 公司已经开发出了c g s 泵用干气密封、a g s 反应釜、 搅拌器用干气密封以及d g s 压缩机用干气密封。1 9 9 5 年日本伊格尔公司首先生产 了n f 9 0 0 系列斜平面双向气体端面密封。2 0 世纪9 0 年代后，j o h nc r a n e 和 b u r g m a n n 公司成功推出了适用于双向旋转的干气密封产品n 5 1 。 尽管干气密封在国外己经运行多年，但在我国大量使用干气密封还是在2 0 世 纪8 0 年代中期，进口大型化肥装置中部分透平式压缩机以及大型高压离心泵，开 始采用以美国j o h nc r a n e 的2 8 型为代表的干气密封，替代了传统的迷宫式密封 4 硕十学何论文 和接触式机械密封。如河南中原、辽宁锦西、内蒙化肥厂、重庆建峰化肥装置中 的c o 。压缩机组高压缸就采用了j o h nc r a n e 的2 8 a t 型单端面干气密封：兰州化肥 厂、乌鲁木齐化肥厂的c o 。压缩机组高压缸也采用了类似2 8 型的干气密封。9 0 年 代同期引进的天华、海南、九江、内蒙、兰州化肥装置中离心式高压液氨泵还采 用了j o h nc r a n e 的2 8 v l 型串联式干气密封。 我国上世纪9 0 年代初才开始进行进口干气密封的国产化研究以及开展具有 自主知识产权的干气密封产品的开发和研制。 1 9 8 8 - 1 9 9 0 年，石油大学( 华东) 顾永泉、王建荣等首先研制和试验了泵入式圆 弧槽气体端面密封，获我国国家实用新型专利9 2 2 0 3 1 5 9 2 。 1 9 9 0 年，王美华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 2 - 1 9 9 4 年，国内一些机械密封生产厂家开始试制干气密封产品，并通过上 机试验合格后投放市场并获得成功。其中，天津克兰密封有限公司研制成功的“八 字形螺旋槽气体端面密封在高速透平机上得到了应用，天津鼎名密封公司利用王 玉明院士的专利技术研制了第一套国产干气密封，于1 9 9 6 年底在燕山石化首次应 用成功，替代了原来从国外进口的密封。该公司先后开发出了t m 0 2 a 、t m 0 2 b 、t m 0 2 c 和t m 0 2 d 四种型号的干气密封产品b 吼3 ，已应用于全国大型石化公司，填补了国 内离心式压缩机用干气密封的空白。 在我国石化企业中越来越多的泵、压缩机等旋转机械采用了此类密封。 成都一通密封有限公司从1 9 9 2 年开始从事干气密封的研究工作，是国内专业 生产干气密封的密封制造商，拥有自主的干气密封知识产权，现已在国内获得三 种流体动压槽的技术专利。目前，由公司主要技术骨干担纲设计的用于离心压缩 机上的干气密封最高线速度已经达到1 4 0 米秒，在裂解气压缩机、循环气压缩机、 氨压缩机、天然气压缩机、乙烯压缩机、合成气压缩机、二氧化碳压缩机、富气 压缩机、火炬气压缩机等领域均有应用，其中在大庆石化公司e c - 1 3 0 1 裂解气压 缩机、卧式螺旋沉降式离心机m 3 0 1 及辽阳石化炼油厂火炬气螺杆压缩机上的成功 运行，开创了国内先河。 1 2 4 发展趋势 上世纪八、九十年代，螺旋槽干气密封的理论研究主要是以提高密封本身的 稳定性和降低泄漏量为目的。综合目前其它密封型式、气体轴承以及摩擦、磨损 和润滑方面的研究现状，本人认为以下几个方面将代表今后螺旋槽干气密封技术 的主要研究方向。 ( 1 )结构型式 开发具有密封补偿能力、高性能的新型结构，这是近几年来国外气体密封技 术发展的一个热点。 基于c f d 的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究 ( 2 ) 开槽技术 由于密封面上动压槽非常浅，而且对槽深精度要求高，一般的机械加工是无 法实现的。因此研究开发低成本、高精度的开槽技术和加工工艺将成为提高螺旋 槽干气密封性能，降低产品价格的关键。目前，较为常用的开槽技术有电加工法、 化学腐蚀法、电化学腐蚀法、光刻法。随着激光技术应用的成熟和成本降低，高 质量的密封槽将越来越多地采用激光加工。这是因为激光加工不但能保证各动压 槽深度一致，而且能够加工任何形状的动压槽，利用计算机控制能保证很高的槽 形加工精度。 ( 3 )理论研究 现有的螺旋槽数值模拟大多局限于窄槽理论和雷诺方程的应用，通过近似的 简化模型或方程来求得近似解或数值解，因此找到一种考虑湍流、惯性及流动堵 塞等综合因素来对n - s 方程进行求解的方法将是以后研究的重点。 ( 4 ) 密封设计 螺旋槽干气密封的设计通常是根据给定工况与要求，参照国内外同类或者类 似产品的结构型式初步选取参数，然后进行工作性能的计算，如果满足要求则设 计完成，不满足则改进参数甚至型式，直到满意为止。随着计算机技术的发展，密 封设计将由传统的设计方法发展到优化设计和运用专家系统设计j 运用优化设计 和专家系统可有效地提高设计质量、水平和周期。 ( 5 ) 试验研究 先进的实验手段、实验设备和虚拟仪器的引入将会促进人们对螺旋槽干气密 封理论及设计的新认识。 1 3 课题来源及主要研究工作 本课题来源于国家自然科学基金资助项目( 5 0 9 6 5 0 1 0 ) 、浙江省科技计划项目 ( 2 0 0 8 c 2 1 1 3 1 ) 和温州市对外科技合作交流项目( h 2 0 0 8 0 0 1 8 ) 。 本课题研究目标：应用f l u e n t 软件对螺旋槽干气密封端面微间隙流场及密封 性能进行研究。围绕此目标本课题主要研究了以下四个方面的工作： ( 1 ) 螺旋槽干气密封端面流场的流态分析 应用g a m b i t 软件建立三维螺旋槽干气密封模型，并对其进行网格划分，在特 定工况下，运用f l u e n t 软件对螺旋槽干气密封内部微间隙三维气体流场的两种流 态即层流和湍流分别进行了数值模拟，得到了两种流态的压力分布，速度分布以 及泄漏量。运用模拟得到的层流和湍流的速度，根据流动因子进行了理论计算， 结果表明：螺旋槽干气密封端面气体是以层流流动的；同时，将模拟得到的层流 和湍流的泄漏量与其相同工况下试验所测得的泄漏量进行对比分析，结果说明： 螺旋槽干气密封端面气体亦是以层流流动的。由此，综合以上两种结果，表明： 在特定工况下，螺旋槽干气密封端面气体是以层流流动的。 6 硕十学位论文 ( 2 ) 干气密封三种不同槽型线端面流场数值模拟 应用g a m b i t 软件建立三维螺旋槽、圆弧槽、直线槽干气密封模型，并对其进 行网格划分，运用f l u e n t 软件对此三种不同槽型线干气密封内部微间隙三维流场 进行数值模拟，得到流场的压力分布，速度分布。同时分别对每一种槽型线进行 了优化，并将优化后的三种槽型的压力与泄漏量进行了比较。结果表明：在干气 密封动环或静环密封面上精加工的浅槽能够产生动压效应；螺旋槽产生的动压效 应最强，其次是圆弧槽，直线槽最弱；螺旋槽的密封性能最好，圆弧槽次之，直 线槽最差，由此证明了螺旋槽优良的密封性能。 一 ( 3 ) 螺旋槽干气密封气膜刚度的计算 应用g a m b i t 软件建立三维螺旋槽干