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浙江工业大学硕士学位论文 t 型槽干气密封性能分析与改型研究 摘要 t 型槽干式气体密封( t - d g s ) 具有能适应双向旋转的优点而被广泛应用于高 速离心式压缩机、气体透平机等旋转设备的轴封上。但是目前对其稳定运行条件 和失效机理缺少了解，工程应用中出现不可预测性失效的事件偶有发生；另外， 与螺旋槽d g s 相比，t - d g s 的承载能力较弱和稳定性略显不足是其出现失效的 主要因素之一，也是限制其应用领域迸一步扩大的主要因素。 基于气体润滑理论，建立了t - d g s 的数学分析模型，采用m a t l a b 编写有限 元程序进行数值模拟，通过计算密封性能参数，并与相关文献实验值进行对比， 验证了计算模型的正确性以及计算方法的合理性与可靠性。在此基础上，研究了 转速和密封介质压力对t 型槽几何结构参数优选值的影响规律，给出了t - d g s 在不同转速与压力下的几何结构参数优选值表，结果表明：转速对t 型槽的型槽 几何结构周向比口1 、槽宽比。c 2 和槽深j i l 。优选值产生较大影响，对径向比l 和槽 长比尾优选值的影响可以忽略不计；密封压力对t - d g s 的g l 、l 和h g 的优选值 都将产生一定的影响，对u 2 和历优选值的影响可以忽略不计。最后，针对t - d g s 动压效应和稳定性能较弱的缺点，提出了一种变深t 型槽d g s 端面结构，并与 普通等深t 型槽d g s 的密封性能进行了对比研究，结果表明：变深结构具有较 好的流体动压效应和稳定性，尤其在低速低压或高速高压条件下优势更为明显。 在此基础上，以获得较大气膜刚度为端面几何参数的主要优化原则，对变深 t d g s 端面几何结构参数进行了优化。 本论文的研究成果进步完善了t - d g s 的端面型槽设计理论，将为t - d g s 在工业实际应用中拓展应用范围、延长使用寿命、提高稳定性和可靠性提供有力 的理论指导，具有重要的理论和工程应用价值。 关键词：干气密封，t 型槽，密封性能，变深结构，有限元法 浙江工业大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c ea n a i y s i sa n dm o d i f i c a t i o n i n v e s t i g a t i o no f at - g r o o v ed r yg a sf a c e s e a l a b s t r a c t a d r yg a ss e a lw i t ht - g r o o v e so n t oi t sf a c e s ( t - d g s ) h a st h ea b i l i t yo fb i - d i r e c t i o n a lr o t a t i o n , s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h er o t a t i n ge q u i p m e n ta p p l i c a t i o n s s u c ha sh 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 s ，g a st u r b i n e sa n dt u r b o e x p a n d e r s t h e f a i l u r e so f s u c hat - d g sh a v eb e e na p p e a r e do c c a s i o n a l l yi nt h ef i l e d sb e c a u s eo fo u r l a c ko fu n d e r s t a n d i n gt h es t a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n df a i l u r em e c h a n i s m so fa t - d g s i na d d i t i o n , t h ei n s u f f i c i e n to fl o a dc a p a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fat - d g s c o m p a r e dw i t ht h a to fas p i r a l - g r o o v e dd g s i so n eo ft h em a i nf a c t o r so f s u c hf a i l u r e s ， a n di t i sa l s ot h em a i nf a c t o r so fl i m i t i n gt h e i ra p p l i c a t i o n st of u r t h e re x p a n d am a t h e m a t i c a lm o d e lo fat - d g si se s t a b l i s h e db a s e do ng a sl u b r i c a t i o nt h e o r y , t h e nt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mw a sw r i t t e nb yu s eo fm a t l a bt os o l v et h em o d e l b y c a l c u l a t i n gt h es e a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a n dc o m p a r e dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h eo p e np u b l i s h e dl i t e r a t u r e s ，t h em o d e li sp r o v e dt ob e c o r r e c t ，a n dt h er a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc a l c u l a t i o nm e t h o di sc o n f i r m e d o nt h i s b a s i so ft h ea b o v ew o r k , t h ee f f e c to fr o t a t i o n a ls p e e d sa n ds e a l e dm e d i u mp r e s s u r e s o ng e o m e t r i co p t i m i z a t i o no ft - g r o o v e si sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr o t a t i o n a l s p e e d sa n ds e a l e dm e d i u mp r e s s u r e sh a v eg r e a te f f e c to nt h eo p t i m i z a t i o nv a l u e so f f a c eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t h eo p t i m u mv a l u ec h a r t so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t - g r o o v e su n d e rd i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e d so rs e a l e dm e d i u mp r e s s u r e sa r ep r o v i d e d t h er o t a t i o n a ls p e e d sh a v eg r e a te f f e c to nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n so f i l i c i r c u m f e r e n t i a lr a t i oa l ，w i d t hr a t i oc t 2a n dd e p t hh go f t - g r o o v e s ，b u th a v el i t t l ee f f e c t o nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n so fr a d i a lr a t i o 崩a n dl e n g t hr a t i o 尼o f t - g r o o v e s t h es e a l e dm e d i u mp r e s s u r e sh a v eg r e a te f f e c to nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n so fc i r c u m f e r e n t i a lr a t i oa l ，r a d i a lr a t i o 局a n dd e p t hh go ft - g r o o v e s ，b u t h a v el i t t l ee f f e c to nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n so fw i d t hr a t i o 眈a n d l e n g t hr a t i o 岛o ft - g r o o v e s f i n a l l y , an e wt y p eo ft - d g sw i t ht a p e r e d - d e p t h t - g r o o v e so n t oi t sf a c e si si n t r o d u c e di no r d e rt oi m p r o v et h eh y d r o d y n a m i ce f f e c t s a n ds t a b i l i t yo fag e n e r a lt - d g s t h es e a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r e dw i t hb e t w e e nt h et w ot y p e so fd g s w i t ht - g r o o v e s t h er e s u l t ss h o wt h a t t h et a p e r e dt - g r o o v e sh a sb e t t e rh y d r o d y n a m i ce f f e c t sa n ds t a b i l i t y , e s p e c i a l l yu n d e r t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so f b o t hl o wr o t a t i o n a ls p e e d so rl o ws e a l e dm e d i u mp r e s s u r e s a n dh i 啦r o t a t i o n a ls p e e d so rh i g hs e a l e dm e d i u mp r e s s u r e st h i sa d v a n t a g e sa r em o r e a p p a r e n t o nt h i sb a s i s ，t h ef a c eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft a p e r e d - t - g r o o v ew e r e o p t i m i z e dm a i n l yb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fg e t t i n gt h eh i g h e s tl e v e l so fg a sf i l m s t i f f n e s s t h er e s u l t so ft h i sp a p e ri m p r o v e df a c eg r o o v ed e s i g nt h e o r yo ft - d g s ，a n dw i l l p r o v i d es t r e n g t ht h e o r yg u i d a n c ef o rr a n g eo fa p p l i c a t i o n se x p a n d i n g ，l i f ee x t e n d i n g ， s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yi m p r o v i n go ft - d g s i ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h u s ，t h ev a l u e o ft h i sp a p e ri sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：d r yg a ss e a l ，t - g r o o v e ，s e a lp e r f o r m a n c e ，t a p e r e d - d e p t hs t r u c t u r e ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景、目的及意义 机械密封是动力机械和流体机械中重要的密封装置，是旋转机械设备中常用 的防漏、节能以及控制环境污染的重要基础件，它对整台机械设备乃至整个装置 的安全运行都有着重大的影响。随着工业和技术的高速发展以及社会对环境保护 和可持续发展的日益重视，密封工况向着高参数、恶劣化条件发展，对密封装置 提出了越来越高的要求，机械密封不仅要求长寿命、微泄漏、低能耗、高效益， 而且要求高稳定性与高可靠性，显而易见，传统的接触式机械密封已经很难满足 上述要求。因此，研究开发非接触、低能耗、低磨损、低泄漏、高稳定和高可靠 的新型机械密封，满足上述工业生产与社会的迫切需求，具有重要意义。 干式气体端面密封( 简称干气密封d r yg a ss e a l ，缩写为d g s ) 就是这样一种 新型机械密封，它采用“以气封液”或“以气封气”的思想来实现工艺介质的零 逸出或零泄漏。干气密封( d g s ) 是一种基于现代流体动压润滑理论的新型非接 触式机械密封。通过在密封端面上加工出微米级浅槽，当端面相对运转时，在两 端面间将产生流体动压效应并形成流体动压力来平衡闭合力，实现端面非接触运 转，同时端面间剪切流对抗压差流达到零泄漏。与传统接触式机械密封相比， d g s 具有端面摩擦功耗低、可靠性高、辅助系统简单、使用寿命长、无环境污染 及运行维护费用低等一系列优点。目前，d g s 己被广泛应用于炼油、化工、冶金、 制药、食品等行业旋转设备的轴封中。 国内d g s 相对国外而言起步较晚，开展对d g s 的研究与国外相比也存在较 大差距，目前国内应用于工业上的d g s 特别是高参数d g s 主要来自外国进口。 另外，目前对d g s 的研究主要集中在对螺旋槽干气密封( s d g s ) 的研究，对 其它型槽( 如t 型槽、v 型槽、直线槽等) d g s 的研究相对较少。但是，在实 际工程应用中，不同的型槽都具有各自的特点，并不存在哪种型槽对所有的工况 条件来说都是最好的。因此，开展对其它种类型槽的研究十分必要。 本文将开展t 型槽干式气体端面密封( t - d g s ) 的研究。t - d g s 既能产生较 好的动压效应，又可以适应正反转，可以避免由于开停车或人为错序操作引起的 第1 章绪论 反向旋转而造成密封产生严重磨损甚至失效，应用范围因此得到扩大。目前，尽 管t - d g s 己在高速离心式压缩机、螺杆式压缩机及气体透平机等设备上获得了 广泛应用，但是对其稳定运行条件和失效机理的研究还远远不够，还存在较多有 待解决的问题，包括工程应用中出现的不可预测的失效等等。 图l - lt 型槽端面示意图 在运行过程中，与s - d g s 相比，t - d g s 的承载能力和稳定性略显不足是其 出现失效的重要原因，也是限制其应用领域进一步扩大的主要因素。因此，本文 的工作是在前人研究的基础上对t - d g s 的性能做深入的研究，系统研究转速和 密封介质压力对t 型槽几何结构参数优选值的影响规律，为不同工况条件下 t - d g s 中t 型槽几何参数的设计提供理论依据与指导；并针对t - d g s 动压效应 和稳定性能较差的弱点，研究其改进措施，提高其动压效应和稳定性能。研究成 果将完善t - d g s 的端面型槽设计理论，并为扩展其工业应用范围、延长其使用 寿命、提高其稳定性与可靠性提供有力的技术支持，同时也为后续的动态分析与 热力变形等工作的研究打下基础。 1 2 国内外干气密封( d g s ) 的研究现状 1 2 1国外d g s 的研究现状 目前，对干气密封的研究主要集中在端面微结构对密封动静压性能影响规律 的研究上，如端面微槽、微孔、粗糙度、波度及锥度等对动静压性能的影响。端 面沟槽型式与结构尺寸是产生流体动静压效应的主要因素。为了便于对t - d g s 进 2 浙江工业大学硕士学位论文 行研究，有必要对螺旋槽和微孔这两种目前研究较多和较成熟的干气密封的研究 现状进行简要回顾。 从干气密封的提出到螺旋槽干气密封s d g s 的研制开发与应用这一期间， 最初关于干气密封的研究主要集中在s d g s 机理及端面槽型几何参数的优化。 g a b r i e l l l i 对s - d g s 的典型安装方式、材料结构等基本问题进行了讨论，解释了 s d g s 的基本密封原理，研究了设计参数和操作条件对密封性能的影响规律。 b o n n e a u 等1 2 i 用有限单元法中的迎风格式求解r e y n o l d s 方程，分析了s - d g s 的 二维稳态性能。z i r k e l b a c k l 3 i 研究了s - d g s 的几何结构参数对密封性能的影响， 得到了螺旋角、槽数、槽宽比、坝长比、槽深等几何结构参数对密封性能的影响 规律，给出了各自的最佳优化参数。 随着干气密封技术的成熟和发展，有关学者相继开展了对低速、高速、高压 等极端工况参数条件下干气密封性能的研究。p e c h t 和n e t z e l l 4 i 对低速情况下气体 润滑干气密封的设计和实际应用进行了研究，分析了传统密封在低速时易磨损、 使用寿命短等缺点，发明了一种应用于低速条件下的干气密封，其可行性得到了 实验验证。r u a n i s l 采用有限单元法研究了在低速、低压条件下滑移流对s - d g s 性能的影响。结果表明，在转速小于5 0 0 r p m 、压力小于0 3 0 3 m p a 的条件下，滑 移流对密封性能有着重要的影响：滑移流会大大增加泄漏率、降低开启力。f a r i a 等1 6 , 7 1 分别采用迎风格式有限元法和有限差分法分析了高速气体轴承的动压效 应，并采用有限单元法中的高阶形函数法求解了非线性r e y n o l d s 方程，对高速 情况下螺旋槽干气密封的动态性能和静态性能进行了研究，证明高阶形函数法即 使在较粗糙的网格下也能得到精确、稳定的解，充分体现了其高效性和精确性。 t h o m a s 等1 8 l 建立了高压干气密封的数学模型，该模型考虑了惯性、热、高压气 体性质等因素的影响。t h o m a s l 9 1 研究了干气密封在高压情况下的热弹流特性，结 果表明，密封环在高压下产生的变形对流体膜的几何形状影响很大，提出密封环 的几何形状及材料特性是形成收敛问隙的关键因素。 在干气密封的工业应用过程中，人们发现在启动、停车等动态过程中干气密 封易于损坏，且有时十分严重直至失效，因此设备的启停对干气密封的使用寿命、 密封性能产生重要影响。学者们开始对干气密封的动态过程展开大量研究。 z i r k e l b a c k 等i l o l 用有限单元法计算了中低转速下s - d g s 的动态力系数，研究表 第l 章绪论 明，随着轴向激振频率的增加，动态力系数逐渐接近渐近线的极限值。r u a n l l l , 1 2 1 分别用有限单元法建立了s - d g s 从开启到停车等动态过程的数学模型，模型中 考虑了动静环的不对中、气体稀薄效应与端面产生接触等几个关键的过程；分析 了用半解析法研究s - d g s 在准静态时对指定激振频率的动态响应的可行性。 m i l l e r 等1 1 3 - 1 5 1 分别采用有限单元法和有限体积法、步进法、直接数值频率响应法 及半解析法对干气密封的动态性能做了大量研究。g r e e n 等1 1 6 , 1 7 1 耦合求解了气体 润滑方程和运动方程，研究了非接触气体润滑密封的动态性能，随后又用数值方 法分析了动静环在微扰动条件下的瞬态响应，结果表明，端面存在适度锥度能提 高干气密封的运行稳定能力。 另外，有关学者还提出了自加压式静压型气体润滑机械密封。s t o l a r s k i 等1 1 8 1 提出了一种自加压式静压气体润滑机械密封的典型结构，分析了端面表面粗糙度 及其变形对密封性能的影响，并进行了试验验证。k u d r i a v t s e v 等1 1 9 1 直接从三维 n a v i e r - s t o k e s 方程出发，采用计算流体力学( c f d ) 模拟方法和a c e + 对s - d g s 进 行求解，得到了泄漏率和开启力。 目前，除了s - d g s 之外，激光加工多孔端面气体密封也成为被研究较多和 较成熟的干气密封。1 9 9 6 年，e t s i o n 和b u r s t e i n l 2 0 i 就提出了激光加工多孔端面机 械密封的理论模型，并开展了对微孔端面机械密封的理论和实验研究；最先研究 是关于液体介质的1 2 1 i 。直到2 0 0 1 年，k l i g e r m a n 和e t s i o n t 2 2 i 才率先开展了关于激 光加工多孔端面气体密封的研究，其中采用有限单元法对激光加工多孔周向气膜 密封的动压效应进行了研究，得出了通过优化微孔参数，可以使密封的动压承载 能力达到最大值的结论。m c n i c k l e 和e t s i o n l 2 3 i 对激光加工多孔端面气体密封的 摩擦性能和端面温升进行了实验研究，结果表明，与普通机械密封相比，激光加 工多孔端面气体密封的摩擦扭矩降低了4 0 ，端面温度至少降低了2 0 。c ，并且 运转更加平稳。f e l d m a n 等1 2 4 1 针对可压缩流体静压型密封，以激光加工多孔端面 气体密封的单个微孔为研究对象，分别采用有限差分法求解r e y n o l d s 方程和采 用商业有限元软件a n s y s f l o t r a n 求解n a v i e r - s t o k e s 方程进行对比研究，结 果表明，采用r e y n o l d s 解法低估了承载能力，应用偏于安全。f e l d m a n 等1 2 5 1 采 用有限差分法对流体静压型激光加工多孔端面气膜密封的密封性能进行了研究。 得到了微孔面积密度、微孔直径、孔深、径向开孔比等参数对密封性能的影响规 4 浙江工业大学硕上学位论文 律。f e l d m a n 等2 q 对流体静压型激光加工多孔端面气膜密封的稳定性进行了深入 研究，以最大气膜刚度和刚漏比为目标，优化了微孔几何结构参数。 1 2 2 国内d g s 的研究现状 随着d g s 技术的快速发展和广泛应用，8 0 世纪中后期我国开始逐步引进国 外d g s 技术，随后国内有关学者和研究机构也逐渐展开了对d g s 的研究。 彭旭东等1 2 7 l 以s - d g s 为研究对象，采用有限单元法对不同约束条件下不同 结构静密封环及其摩擦配对动密封环的力变形进行了研究，分析了变形对密封特 性的影响。结果表明：密封环的力变形使得端面气膜形状大多呈发散型，约束条 件对其变形大小具有重要影响，选择合适的约束条件可以减小密封端面的转角， 提高气膜刚度，增强密封工作的稳定性；变形虽然对密封的开启力影响不大，但 变形会导致泄漏率增大，并且明显改变气膜刚度。蒋小文等1 2 3 l 采用有限单元法对 s - d g s 端面间气体的流动过程进行了数值模拟，并在此基础上计算了密封的主 要性能参数，分析了操作参数和螺旋槽几何参数对密封性能的影响，在给定的几 何结构参数和操作参数条件下给出了型槽最佳几何参数取值范围。冯向忠等1 2 9 - 3 1 1 采用有限单元法分析了s - d g s 端面几何参数对密封性能的影响，基于低泄漏率 和高刚度值，提出了端面几何参数选择的一般原则，通过求解可压缩流平均雷诺 方程，研究了螺旋槽端面不同区域的表面粗糙度对密封性能的影响。 尹晓妮3 2 i 对中低转速下的s - d g s 性能进行了数值分析，讨论了在中低转速 下应用有限元法分析光滑面s - d g s 时形函数的选择，研究了滑移流或表面粗糙 度以及综合考虑滑移流和表面粗糙度对密封性能的影响；并且在此基础上，以获 得较大气膜刚度和较小泄漏率为端面几何参数的优化准则，提出了实际粗糙表面 s d g s 的优化设计准则，给出了在一定工况条件下中低转速s - d g s 密封端面几 何参数的优化值1 3 3 3 4 1 。 彭旭东等1 3 5 1 研究了表面粗糙度对s - d g s 的密封性能和端面几何结构参数优 化的影响，其中将s d g s 端面的粗糙表面分成了软环端表面、硬环端面开槽底 面与非开槽表面3 个区域。结果表明，硬环端面糟底面和软环端面的表面粗糙度 对s d g s 的性能参数产生较大影响，而硬环端而表面粗糙度的影响可以忽略， 表面粗糙度对s - d g s 端面几何结构参数的优化值没有影响。 第1 章绪论 彭旭东等1 3 6 用有限单元法对带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封的静压性 能进行了研究，得出了带内环槽s - d g s 比典型的s - d g s 具有更好的稳定性、润 滑性能和开启特性的结，优化了带内环槽s - d g s 在静压条件下的端面几何参数。 谭丽丽1 3 7 l 对带内环槽s - d g s 的密封性能进行了研究，其研究比较了收敛型槽深 s - d g s 与普通等槽深s - d g s 的密封性能，对带内环槽s - d g s 的几何参数进行了 优化，研究了低速低压条件下滑移流对带内环槽s - d g s 性能的影响，并对考虑 滑移流条件下带内环槽s - d g s 密封端面几何结构参数进行了优化。研究表明： 端面尺寸相同的收敛型槽深s - d g s 与等槽深s - d g s 相比，槽深收敛坡度在一定 程度上提高了高速运行条件下s - d g s 的承载力和气膜刚度等性能参数，但在中 低转速以及低压下运行时，优势不但不明显，反而稳定性不如等槽深s - d g s 。 带内环槽s - d g s 改善了低速条件下密封的开启特性和稳定性，同时也提高了密 封在低速高压条件下的稳定性、润滑性和耐磨性能，延长了密封的使用寿命。 z h a n g 等1 3 8 l 用计算流体力学软件对螺旋槽机械密封内部的三维流场进行了 模拟，研究了其动静压效应。徐洁等1 3 9 i 采用三维n s 方程流动求解器c f d a c e + ， 对s - d g s 不同气膜厚度的内部微间隙三维流场进行了模拟，得到了流场的压力 分布和端面气膜压力产生的开启力。 徐万孚等分别分析了螺旋槽干运行非接触气体密封的动态特性与稳定性，提 出了密封系统“角向气膜振荡”的危险现象及抑制其发生的理论，进行了工业模 拟运行试验1 4 m ，并以高刚度为目标对低转速、压力波动频繁工况条件下的s - d g s 进行了参数优化，分析了干气密封零压力开启转速和角向动态失稳界限频率1 4 l i 。 l i u 等1 4 2 , 4 3 1 分别用有限单元法研究了干气密封三个自由度方向的刚度和阻尼系 数，用开启力的解析模型分析了双列螺旋槽流体动压效应的动态响应。 刘雨川等l 用有限元法对几种典型端面结构如螺旋槽顺流泵、螺旋槽逆流 泵、螺旋槽d , j y l 、瑞利台阶、小孔浅腔、d , ：y l 均压槽等型槽孔端面气膜密封的特 性进行了定量分析比较，结果表明：螺旋槽顺流泵结构及螺旋槽d , ：y l 结构，在较 小膜厚下具有高的气膜刚度，且泄漏率也不特别高，后者还有一定的零转( 即启 动和停车运转) 工作能力。螺旋槽逆流泵结构，虽然气膜刚度较小、降漏能力也 不显著但是其在小膜厚时有负泄漏能力，对有毒有害气体作为密封流体时是具有 及其重要应用意义的。d , ：y l 浅腔结构和d , ：y l 均压槽结构，在较大膜厚时，有较大 6 浙江工业大学硕士学位论文 气膜厚度，可允许密封端面有较大变形和振动。同时它们还有很好的零转能力。 瑞利台阶除了形状简单外无明显其它优势。黄莉等1 4 5 l 对普通螺旋槽( s d g s ) 、带 内环槽的螺旋槽( a s d o s ) 、雁形螺旋槽( g s d g s ) 等3 种典型型槽端面干气密封 的性能进行了对比研究，认为g s d g s 的稳定性和密封性能相对较好，且更适用 于低速低压或高速高压的应用场合。 秦浩等1 4 6 i 对气膜润滑激光加工多孔端面机械密封( g l l s t - m s ) 的单个微 孔的动压性能进行了分析，结果表明气膜l s t - m s 的开启力和气膜刚度对无量纲 孔深的变动很敏感。白少先等1 4 7 l 以矩形微孔为研究对象，研究了微孔的方向性对 密封的性能影响规律及微孔方向参数对动压效应和密封动态特性的影响规律。结 果表明，纹理方向对泄漏率和刚度有明显的影响。方向因子的增加使刚度减小。 阻尼增加，对开启力影响不明显；纹理方向效应使动压效应增强。 秦浩1 4 8 i 对激光加工多孔端面气体密封的密封性能进行了数值分析，采用有限 元法对正方形微孔型面的气膜润滑激光加工多孔端面机械密封( g l l s t - m s ) 进 行了研究。提出了流体静压型g l l s t - m s 和流体动压型g l - l s t - m s 的优化设 计准则，并公开发布了部分研究结果1 4 9 i 。王楠对规则微孔端面非接触气体机械密 封的动态特性进行了研究1 删，并用有限差分法分析了外界扰动、微孔分布和边界 滑移对气膜l s t - m s 的气膜刚度和阻尼等密封动态特性参数的影响1 5 。 b a i 等i 5 2 1 提出了一种带有方向性的椭圆形微孔干气密封，并系统讨论了此微 孔的孔深、倾斜角、长短轴比、开孔面积密度等几何结构参数对其密封性能的影 响。结果表明，方向性微孔能大大提高激光加工多孔端面干气密封的的动压性能。 彭旭东等1 5 3 i 对激光加工多孔端面干式气体密封的临界静压开启特性进行了研究， 研究了周向开孔比、径向开孔比、深径比、面积密度等微孔几何参数对临界开启 力以及气膜刚度的影响规律。结果表明：面积密度在0 5 - - 0 6 范围内取值，深径 比在0 0 0 4 - - - 0 0 0 6 范围内取值，周向开孔比和径向开孔比均取0 7 时，密封可获 得最佳静压临界开启特性。 1 2 3t 型槽d g s 的研究现状 t 型槽干气密封t d g s 是著名密封公司f l o w s e r v e 的专利产品，基于其端面 槽型对称、能适应双向旋转，目前t d g s 已被广泛地应用于石化、化工等行业 用高速离心式压缩机、螺杆式压缩机、气体透平机及膨胀机等旋转设备的轴端密 7 第l 章绪 论 封上。但是，相对与螺旋槽干气密封而言，t d g s 的研究要薄弱很多，f l o w s e r v e 公司也很少发表有关t d g s 的文献，近年来，国内研究人员逐渐对t - d g s 的密 封性能及设计方法开展了端面流场、端面热变形分析及槽型优化系列研究。李涛 子1 5 4 和胡文绩0 5 5 1 分别用有限单元法和f l u e n t 软件对t - d g s 进行了数值模拟研究， 得到了密封端面的气膜压力分布图，验证了用数值模拟方法分析t - d g s 性能的 可行性；耿志翔1 5 6 l 在对可双向旋转的l 型槽干气密封研究的同时，对比了l 型 槽干气密封与t d g s 的密封性能，得出了在相同操作条件下t d g s 的动压效应 略高于l 型槽干气密封的结论。陈秀琴1 5 7 1 用s o l i d w o r k s 软件对t d g s 进行三维 几何建模，并用g a m b i t 软件进行网格划分，采用f l u e n t 软件对t d g s 的流场进 行了模拟仿真，提出了一种t d g s 端面平衡间隙的计算方法，分析了t d g s 的 操作参数和部分几何参数对密封性能的影响规律，结果表明：端面间气膜厚度和 泄漏率随着槽数的增加都减小，随着槽宽比的增大而减小，随着槽深度增大而增 大，随着轴转速的增加而增加，随着密封坝径向宽度比的增加呈减小趋势。宋红 远1 5 8 i 用f l u e n t 对t d g s 的气膜流场进行数值求解，得到了部分槽型几何参数在 给定工况条件下的取值范围( 槽数为1 2 - - - 1 6 ，密封坝长比为0 4 - - - 0 6 ，槽深为4 6 9 m ) ，并比较了l 型槽干气密封和t d g s 的密封性能，也得到了t 型槽的动 压效应略优于l 型槽的结论。张轩等1 5 9 1 用有限差分法对低速条件下t - d g s 的运 转特性进行了研究，结果表明，型槽的几何参数对密封性能的影响较大，在低速 条件下需考虑滑移流的影响。李娜 6 0 i 用a n s y s 软件计算了t d g s 的密封环温度 场，分析了工况参数、材料参数、几何参数对密封环轴向热变形的影响，结果表 明：t d g s 的静环温度由密封端面向背面逐渐降低，由静环的外径向内径逐渐 降低：温度变化梯度由密封端面向背面逐渐降低，由静环内径向外径逐渐降低； 且径向温度梯度大于轴向温度梯度。朱维兵等6 1 舵。基于a n s y s 软件就热变形对 t - d g s 性能的影响进行了分析，得出了有关因素对密封环热变形的影响程度，并 指出几何结构参数对热变形的影响显著，且大于材料参数对热变形的影响。 1 3 研究内容 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 基于气体润滑理论，建立t d g s 的数学分析模型，研究其数学模型的 求解方法，通过计算给定几何参数和工况参数条件下的密封性能参数，与相关文 浙江工业大学硕士学位论文 献试验值进行对比，验证计算模型和计算方法的合理性。 ( 2 ) 基于所建立的数学模型，采用有限单元法研究不同操作参数条件下 t d g s 的密封性能，获得转速和密封介质压力对t 型槽几何结构参数优选值的 影响规律，给出不同转速和压力下t 型槽几何参数的优选值表。 ( 3 ) 针对t d g s 与螺旋槽干气密封相比其动压效应和稳定性能较弱的缺 点，提出一种变深t 型槽t d g s 的端面结构，对其密封性能进行分析，并与普 通等深t 型槽进行对比研究，优化其相应地端面几何结构参数。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 建立t d g s 的几何与有关数学模型，对端面气膜压力控制r e y n o l d s 方程进行离散，用m a t l a b 编程并采用有限单元法求解，获得t d g s 的端面气膜 压力分布，提出端面开启力、泄漏率、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数的计算 表达式。 ( 2 ) 在给定几何参数和工况参数条件下，计算t d g s 的密封性能参数，并 与相关文献试验值进行对比，验证计算模型的正确性与合理性，验证计算方法的 可靠性。 ( 3 ) 改变转速及密封介质压力，计算给定介质条件下上述密封性能参数随 t 型槽几何参数的变化规律，总结归纳并提出转速和压力对t 型槽几何结构参数 优选值的影响规律。 ( 4 ) 在不同转速与不同密封介质压力组合条件下，计算t - d g s 性能参数在 对应操作条件下的优选值，获得不同转速和压力组合条件下t 型槽几何结构参数 的优选值表。 ( 5 ) 改变t 型槽的槽底结构，探索改型t d g s 的密封性能，以提高流体动 压效应和稳定性为目标提出一种可行的改型方案。 ( 6 ) 系统研究改型t d g s 的性能，并在不同端面气膜膜厚、不同转速、不 同密封介质压力下，对比研究其与普通等深t 型槽t d g s 的密封性能。 ( 7 ) 分析研究并总结出几何参数对改型t d g s 密封性能的影响规律，得出 其在给定操作参数下改型t 型槽几何结构参数的优选值。 ( 8 ) 总结改型t d g s 与普通t 型槽t d g s 两者性能的优缺点，为实际工 9 第l 章绪论 程应用提供理论分析与设计指导。 1 3 3 研究目标 ( 1 ) 系统研究转速和密封介质压力对t d g s 的t 型槽几何结构参数优选值 的影响规律，并给出不同转速和压力下的t 型槽干气密封优选值表，为不同工况 条件下t 型槽干气密封几何参数的选择提供参考及理论依据。 ( 2 ) 针对t d g s 动压效应和稳定性能相比螺旋槽干气密封较小的弱点，提 出改进措施和具体的改型结构t d g s 。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章t 型槽d g s 的理论分析模型 2 1t 型槽d g s 的计算模型 2 1 1t 型槽d g s 的几何模型及几何参数的定义 t - d g s 为非接触式流体动力润滑机械密封，它由一对相对旋转运动的动静密 封环组成，两环面光滑且相互平行，一般采用激光加工技术在其中一个密封环端 面加工具有t 字结构的流体动压槽，其端面的二维几何图形如图2 1 a 所示，其 中一个t 型槽由与外界相通的径向引气槽与位于端面内的动压槽组成。由于端面 上的t 型槽成周期性对称分布，为减少计算工作量，可选择整个环端面的1 k ( 其 中k 为t - d g s 端面上的开槽个数) ，即图2 1 b 所示a b c d 所围成的区域为研究 对象或计算单元，并假设槽区是等槽深的。 设密封环的端面内、外半径分别为，i 和，动压槽的槽根处半径为唯，动压 槽与引气槽相结合处的半径为n ；引气槽的周向弧长为w l ，动压槽的周向弧长为 w 2 ，两相邻动压槽间未开槽部分的弧长为坳；在此基础上，分别定义t 型槽的 无量纲几何结构参数，即周向比a l 、槽宽比a 2 、径向比声l 和槽长比尼，其具体 表达式如下： a ( a ) 端面几何结构示意图( b ) 计算单元 图2 - 1t 型槽d g s 端面几何模型 第2 章t 型槽d g s 的理论分析模型 口2 = w 2 ( + w 3 ) p - = ( t o r , ) ( r o 一) 2 = ( 一q ) ( r o 一_ ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 2 1 2t 型槽d g s 的数学模型 二维可压缩流体雷诺方程在柱坐标中的基本形式为1 6 3 i ： 吾旦0 0 ( 丛1 2 t 塑0 0 ) + 旦o r 尝刍o r = 堡2 塑0 0 + ，塑o t + 塑o t ( 2 - 5 ) r 、7 、1 2 “ 7、。 为了简化计算并保持一定的计算精度，不妨作出以下假设： ( 1 ) 两密封端面间的间隙虽然很小，但其间隙内的流体仍可视作连续流体； ( 2 ) 忽略气体流动过程中温度的变化，即认为气体流动为等温过程； ( 3 ) 不考虑滑移流、密封面表面粗糙度的影响和气体粘度的变化； ( 4 ) 忽略密封环受热、力变形的影响； ( 5 ) 视间隙内气体流动过程为层流，气膜中没有漩涡； ( 6 ) 忽略惯性力及离心力的影响。 基于以上假设，则式( 2 5 ) 可简化为： 南( 菪+ r o ( r p h 3 争6 1 a o j r 2 百o ( p h ) ( 2 - 6 ) 式中，h 为端面间任意处的气膜厚度，为端面间任意处的半径，p 为端面间任 意处的气膜压力，a 为气体动力粘度，缈为动环( 旋转环) 角速度( c o = 2 n n ，刀为动环 转速) 。定义：p i 为密封环端面内径处或低压侧压力，p 。为密封环端面外径处或 高压侧压力，h o 为端面间非开槽区的气膜厚度。若引入如下无量纲参数变量： 无量纲半径：r = r r i , 无量纲压力：p = - p p i ：无量纲膜厚：h = h h o ；压缩数： a = 6 t 0 i t i 2 ( p i h 0 2 ) 。则式( 2 6 ) 可化为： 而10 ( p h 3 + 志( r p t t 3 a0 - 刍( p h ) ( 2 - 7 ) 2 1 3 变分方程的建立及离散 为了将式( 2 7 ) 转化成与之相对应的泛函进行求解，采用伽辽金法对其建立变 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 分方程，伽辽金变分方程的基本形式为即： j e s p d r d o = 0 ( 2 - 8 ) 式中：q 代表求解区域，8 代表余量，卯代表气膜无量纲压力的变分。取满足条