（化工过程机械专业论文）螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定.pdf

硕七学位论文 摘要 螺旋槽干气密封被广泛应用于石化行业中，其运行的稳定性和可靠性是石化 企业安全保障的关键。其动力学特性参数一直是国内外研究的热点，同时也是研 究的难点。针对上述情况，本文针对影响螺旋槽干气密封端面参数为研究对象， 包括：密封端面性能参数( 气膜压力、摩擦扭矩、端面温度、转速、泄漏量、摩 擦功耗) 和密封端面稳定性参数( 气膜厚度及动、静环振动位移量) 。因为在国内 外对振动方面的研究很少，且只停留在理论上，因此本文重点对密封环系统的振 动进行测试研究，介绍参数的测试方法及对数据的处理。基于l a b v i e w 测试系统 软件开发平台，建立螺旋槽干气密封端面试验台，通过选取、安装特定的传感器、 调理器、数据采集卡等相应的硬件设备，且采取特定的测试方法及必要的抗干扰 措施对螺旋槽干气密封端面的性能参数和稳定性参数进行调试、校核、标定和测 量。基于l a b v i e w 测试系统软件编程的后处理程序对所测数据进行处理：对试验 值与理论值进行比较分析。研究影响端面流场参数的因素，运行工况对密封参数 的影响及提高密封性能的方法。本文主要对以下内容进行研究： 本文采用f l u e n t 计算软件对流场参数进行模拟计算，为测量静环端面安装 传感器开孔对流场气膜压力的影响因子，应用s o l i d w o r k s 软件建立三维螺旋槽干气 密封端面气膜模型，包括在动环槽底根径相对的静环端面开孔和不开孔的两种模 型建模。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尺度三维气 体流场的两个模型以层流模式分别进行数值模拟，得到两种模型的泄漏量，得出 理论值与试验值很接近，说明微尺度螺旋槽端面流场分析是可以用f l u e n t 来模 拟计算的，从而推出模拟不同模型所对应的压力值也是准确的。计算出开孔安放 传感器对端面的影响因子，对后期试验的压力测定或设备监测数值进行修整和求 出真实数值具有实用价值。 端面稳定性的研究计算，即气膜刚度的计算。本文对螺旋槽干气密封端面五 种不同气膜厚度进行三维立体模型建模，在特定工况下，运用f l u e n t 软件对五 种模型进行数值计算，分别求出压力分布和气膜推力，运用最小二乘法原理，得 出开启力与气膜厚度的多项式；通过对气膜厚度进行求导，得出气膜刚度与气膜 厚度的多项式。结果表明：气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小，且随着气膜厚 度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳，为了使干气密封长期安全、稳定的 工作，端面流场气膜应有足够大的刚度。 端面性能参数的研究同样采用对螺旋槽干气密封端面微尺度三维流场气膜进 行建模，运用f l u e n t 软件对三维流场模型以层流流动形式进行数值模拟计算， 根据计算所得动压效果和径向流速，确定使端面产生气膜推力和泄漏量同时达到 i i i 螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定 最优时的气膜厚度；在确定的气膜厚度下，求出不同介质压力和转速对端面泄漏 量和功耗的影响。结果表明：当气膜厚度值在3 - 5 1 - l m 时，使总体效果达到最好， 当气膜厚度和压力确定时，泄漏量和功耗随着转速增加而增加，且成线性关系； 当气膜厚度和转速确定时，泄漏量和功耗随着压力增加而增加，也成线性关系。 由于干气密封动、静环密封间隙仅有3 5 p m ，因而其密封系统轴向振动稳定性 的研究显得尤为重要。采用高精度改进型的电涡流微型传感器和l a b v i e w 软件， 并采用一系列的抗干扰措施，对干气密封气膜密封环系统的轴向振动进行测量， 测量出气膜和动、静环轴向振动位移量和时域波形。通过改变不同压力和转速测 量出三者的振动位移量，研究压力和转速对振动位移量的影响，并对测量出的时 域波形进行频谱分析。试验研究表明：随着转速和介质压力的上升气膜厚度增大， 动、静环和气膜振动位移量均有下降，这与转速和气压升高动压效应增大的机理 是相吻合的：并且三者的振动频率均为工频，属于同频振动。动、静环相同位置 的轴向振幅近似相同，静环追随动环特性较好。因而，欲使静环振动位移量减小， 需保证动环端面的平面度和安装垂直度。 关键词：螺旋槽；千气密封；l a b v i e w 软件；c f d 软件；测试系统；频谱分析；振动稳 定性；微型传感器；数值模拟 i v 硕士学位论文 暑暑皇鲁詈穹詈暑鼍詈毫暑皇詈詈薯tn 皇晕皇詈皇詈詈皇詈鼍暑皇詈詈鲁詈暑昌皇詈詈= 皇= 暑暑詈鼍皇暑暑暑暑皇詈詈葛詈皇詈暑= 暑喜皇鲁詈暑詈皇鲁暑詈皇 a b s t r a c t s p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a li sw i d e l yu s e di np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fi t so p e r a t i o na r ek e yt op e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s es e c u r i t y t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sh a v e b e e nt h eh o ts p o to fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h ，a n da l s ot h e d i f f i c u l t yo fr e s e a r c h i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n , t h i sa r t i c l ef o c u s e so np a r a m e t e r st h a t i n f l u e n c es p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lf a c e ，i n c l u d i n gs e a lf a c ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ( g a s f i l m p r e s s u r e ，f r i c t i o nt o r q u e a n df a c et e m p e r a t u r e ，s p e e d ，l e a k a g e ，f r i c t i o np o w e r c o n s u m p t i o n ) a n d s e a lf a c e s t a b i l i t yp a r a m e t e r s ( g a s f i l mt h i c k n e s sa n dv i b r a t i o n d i s p l a c e m e n to fd y n a m i ca n ds t a t i cr i n g ) b e c a u s et h er e s e a r c ho fv i b r a t i o ni sv e r yf e wb o m a th o m ea n da b r o a d ，a n do n l ys t a yi nt h e o r y ，s ot h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ev i b r a t i o no ft h e s e a l i n gr i n gs y s t e mt e s t ，a n di n t r o d u c e st h et e s tm e t h o da n dd a t ap r o c e s s i n g b a s e do n l a b v i e w , t h et e s ts y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，s p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lf a c e t e s t b e di se s t a b l i s h e d ，t h r o u g hs e l e c t i n ga n di n s t a l l i n gs p e c i f i cs e n s o r s ，c o n d i t i o n e r , t h e d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n do t h e rc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ee q u i p m e n t s ，a n dt a k i n gp a r t i c u l a rt e s t m e t h o da n dn e c e s s a r ya n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n ds t a b i l i t y p a r a m e t e r so fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lf a c ea r eb e i n gd e b u g g e d ，c h e c k e d ，d e m a r c a t e da n d m e a s u r e d b a s e do i lp o s t - p r o c e s s i n gp r o c e d u r eo fl a b v i e ws o f t w a r e ，t h et e s td a t ai sp r o c e s s e d ； t h et e s tv a l u ea n dt h et h e o r e t i c a lv a l u ea r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ef a c t o r so fi n f l u e n c i n g t h ee n df l o wf i e l dp a r a m e t e r s ，t h ei n f l u e n c eo fr u n n i n gc o n d i t i o nt os e a lp a r a m e t e r sa n dt h e m e t h o do fi m p r o v i n gs e a l i n gp e r f o r m a n c ea r er e s e a r c h e d t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h e f o l l o w i n gc o n t e n t s ： i nt h i sp a p e rf l o wf i e l dp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da n ds i m u l a t e db yu s i n gf l u e n t s o f t w a r e t om e a s u r et h ei m p a c tf a c t o r so ft r e p a n n i n gi ns t a t i cr i n gf a c et og a sf i l mp r e s s u r e o ff l o wf i e l db yi n s t a l l i n gs e n s o r ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ls p i r a lg r o o v em o d e lo fd r yg a ss e a li s b u i l tb yt h es o l i d w o r k ss o f t w a r ei nt h i sp a p e r t h em o d e la l s oi n c l u d e so p e n i n ga n d n o n o p e n i n gh o l ei ns t a t i cr i n gf a c ec o r r e s p o n d i n gs l o tr o o ti nt h em o v i n gr i n gg r o o v e i nt h e s p e c i f i cc o n d i t i o n s ，t w od i f f e r e n tf l o w i n gs t a t e so f t h r e e - d i m e n s i o n a lm i c r o s c a l eg a sf l o wa r e s i m u l a t e di ni n t e r n a ls p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a lb yt h ef l u e n ts o f t w a r e t h el e a k a g eo ft h i s t w om o d e l si sg a i n e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lv a l u ei sv e r yc l o s et ot h ee x p e r i m e n t a lv a l u e ，w h i c h i n d i c a t e st h a tt h ea n a l y s i so fm i c r o d i m e n s i o ns p i r a lg r o o v ef l o wf i e l dc a l lb es i m u l a t e db y f l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h u st h ep r e s s u r eo fd i f f e r e n tm o d e l sa l ea c c u r a t e t h ei m p a c tf a c t o r s o ft r e p a n n i n gs e n s o rt os e a lf a c ec a nb ec a l c u l a t e d ，w h i c hh a sp r a c t i c a lv a l u ei nd e t e r m i n i n g v 螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定 t h ep r e s s u r eo rr e v i s i n gt h em o n i t o r i n gd a t aa n da l s oi n s e e k i n gt h er e a ld a t ai nl a t e r e x p e r i m e n t s t h es t a b i l i t yo ft h ee n df a c e ，n a m e l yg a sf i l ls t i f f n e s s ，i sc a l c u l a t e d t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l so fs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l 、析t l lf i v ed i f f e r e n tg a sf i l mt h i c k n e s s e sa r eb u i l tb y s o l i d w o r k ss o t h a r e i ns p e c i f i cc o n d i t i o n s ，t h ef i v ek i n d so fm o d e l sa r e n u m e r i c a l l y c a l c u l a t e db yf l u e n ts o f t w a r ea n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n d g a sf i l mt h r u s ta r eo b t a i n e d t h ep o l y n o m i a lo fo p e n i n gf o r c ea n df i l mt h i c k 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n v i l 螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定 插图索引 图2 1 螺旋槽端面几何模型1 5 图2 2 端面计算区域网格1 5 图2 3 螺旋槽端面气膜压力分布云图1 7 图2 4 螺旋槽端面气体径向速度分布图1 7 图2 5 螺旋槽端面开孔与不开孔径向压力曲线1 7 图2 6 螺旋槽干气密封动环端面二维模型图1 9 图2 7 计算区域网格模型1 9 图2 8 不同气膜厚度对应压力云图0 0 00 qo0o 2 0 图2 9 不同气膜厚度对应的压力沿径向分布曲线2 0 图2 1 0 不同气膜厚度对应的径向速度云图2 1 图2 1 1 不同气膜厚度对应的出口径向流速曲线2 l 图2 1 2 泄漏量随着转速变化关系图2 2 图2 1 3 泄漏量随着压力变化关系图2 2 图2 1 4 功耗随着转速变化曲线图2 3 图2 1 5 功耗随着压力变化曲线图”2 3 图2 1 6 不同气膜厚度的压力分布图2 5 图2 1 7 不同膜厚压力沿径向分布图2 5 图2 1 8 端面气膜开启力与膜厚关系曲线2 6 图2 1 9 气膜刚度与气膜厚度的关系曲线2 7 图3 1 螺旋槽干气密封试验台2 9 图3 2电机实物图o l eo 00 3 0 图3 3 干气密封系统双端面结构图3 0 图3 4 样机实物总图3 1 图3 5 静环实物图3 1 图3 6 干气密封性能参数测试试验台示意图3 2 图3 7电机输出端扭矩传感器安装图3 3 图3 8 端面安装传感器分布图0 0000 0000 3 3 图3 9 干气密封测试仪3 3 图3 1 0 气密封试验台供气系统调控装置3 3 图3 1 1 干气密封测试结构原理图3 4 图3 1 2 虚拟仪器的前面板3 5 图3 1 3 干气密封试验台主界面3 5 图3 1 4 干气密封测试系统主程序框图3 6 硕十学位论文 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 电机转速控制系统程序框图0 0 10m oo oo o g 3 6 数据后处理系统程序框图3 7 泄漏量测试原理图”3 7 金属管浮子流量计3 8 密封腔体进出接气管安装图3 8 扭矩传感器3 9 转速测试原理3 9 扭矩与测速传感器安装示意图3 9 气膜厚度位移传感器在静环端面分布图a do mo b 4 0 传感器工作原理图4 1 测量动、静环振动传感器安装分布图0 0 0e iooog 4 2 s t 一2 电涡流位移传感器0 8 1 1 00 qo ! 4 2 数据采集卡实图4 3 干气密封实时监测主界面图o g ooiioo q 9o 0 o 00 4 5 干气密封采样数据后处理系统图4 6 数据采集流程图4 7 信号调理模块4 8 实时数据监测主界面图q d omo0 q0 00 4 9 数据处理主界面图4 9 数据后处理波形图q po 4 9 泄漏量随转速变化曲线o bom qqoq 0 5 1 泄漏量随压力变化曲线5 1 不同压力下泄漏量试验值随着转速变化图5 2 不同转速下泄漏量试验值随着压力变化图5 2 功耗随转速变化曲线5 2 功耗随压力变化曲线5 2 不同压力下功耗试验值随转速变化图5 3 不同转速下功耗试验值随压力变化图5 3 端面压力随转速变化曲线5 3 端面压力随介质压力变化曲线5 3 不同压力下端面最大压力试验值随转速变化图5 4 不同转速下端面最大压力试验值随压力变化图5 4 平均气膜厚度随转速变化曲线5 4 平均气膜厚度随介质压力变化曲线5 4 不同压力下平均气膜厚度试验值随转速变化图5 5 i x 螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 不同转速下平均气膜厚度试验值随着压力变化图5 5 气膜位移振动波形图及频谱分析图5 5 气膜振动位移量随着压力和转速变化的曲线5 5 静环振动波形图及频谱分析图5 6 静环位移量随压力和转速变化曲线5 6 动环振动波形图及频谱分析图5 7 动环位移量随压力和转速变化的曲线5 7 气膜刚度随着压力和转速变化曲线5 7 x 6 7 8 1 1 4 4 鼍 图图图 硕十学位论文 附表索引 表2 1 当6 = 3 5um ，n = 8 7 0 0r m i n 时，转速对应的泄漏量和气膜推力值2 1 表2 2 当6 = 3 5um ，n = 8 7 0 0r m i n 时，压力对应的泄漏量和气膜推力值2 2 表2 3 当6 = 3 5l lm ，p = 0 4 m p a 时，转速对应的功耗值a o 0 2 3 表2 4 当6 = 3 5um ，n = 87 0 0r m i n 时，压力对应的功耗值2 3 表2 5 不同气膜厚度产生的开启力2 6 表2 6 不同气膜厚度产生的刚度2 7 x i 螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定 符号注释表 拧r 密封环的转速 a 密封流体的入口压力 办密封端面间的间隙 坞密封环的内半径 功旋转角速度 i 卜螺旋槽数 儿环境压力( 内压) ，端面开启力 z 端面扭矩 万气膜的厚度 形摩擦功耗 血弹簧位移量 密封流体的粘度 p o 密封流体的出口压力 口螺旋角 代。密封环的外半径 e 螺旋槽深的一半 端面摩擦系数 户气膜的密度 v 琉体作用在某点处的速度 蟛泄漏量 k 气膜刚度 七弹簧系数 万气膜位移变化量 x i i 硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第1 章绪论 目前，在现代石油化工行业，国内外普遍采用离心式压缩机输送各类工艺气体 介质，同时，这些气体介质大多具有毒性、易爆和易燃等特点，例如瓦斯和氢气 等。如果这些气体泄漏到环境中，必将引起极大的安全隐患，并且对环境造成污染， 同时严重威胁生产装置的安全。为避免这些有毒性、易爆和易燃气体沿着压缩机 旋转轴轴端部泄漏到环境中，采取有效的轴端密封装置是必要的。在整个压缩机 系统中，虽然轴端密封部件很小，但是它通常对机器设备的安全性、可靠性和耐 久性起着决定性的作用，并且对整台机器运行、整套装置甚至整个工厂安全的影 响也是至关重要的。尤其在石油化工行业中，工业介质往往具有可燃性、强腐蚀 性、易燃易爆等有毒等气体，并且工作压力和温度都比较高，一旦发生密封装置 失效发生泄漏，介质将沿着轴端部泄漏到周围的环境中，不仅污染了环境，还严 重影响人的身体健康和产品的质量。严重情况下通常会导致火灾、爆炸等重大安 全事故。我国石油化工行业运转周期长，开发相关的密封监控技术是非常重要的。 在线测量和监测设备运行是确保密封性能的好坏和设备稳定安全运行的关键。随 着旋转设备逐步朝着高参数方向发展，安全生产和环保意识将向密封系统提出了 越来越高的要求，对设备的自动监测和调控功能将是系统迫切解决的关键问题。 同时，理论计算最终要通过试验进行检测与验证。因此，运用现代测试技术对非 接触式螺旋槽干气密封系统运行状况进行实时在线监测，以及对密封参数变化情 况的研究有着重要的意义。 螺旋槽干气密封是流体机械密封最重要的一种密封形式，要保证干气密封具 有良好的密封性能，那么端面流场就要产生足够大的气膜刚度。端面流场的气膜 形态不同，就会导致密封性能的变化。因此对气体膜理论和试验研究意义非常重 大。在一定的假设基础上，对问题的研究是将理论进行简化、分析；对端面流场 气膜参数研究时，离不开对端面各参数的测定，只依靠理论，脱离实际是不准确 的。对各参数的测试包括气膜压力和气膜厚度和相应的影响端面流场的性能参数 和稳定性参数等。掌握这些参数变化情况，可以对端面流场有更直接的认识；同 时还对理论验证和模型的建立都具有重要实用价值。 长期以来，研究人员对机械密封性能最关心的问题就是端面摩擦特性问题， 因为它是不仅决定了机械密封工作的寿命，同时也是评价密封性能优劣的重要因 素。近年来，虽然在端面摩擦特性的研究方面取得了一定的成绩，但是由于机械 密封结构的几何参数和工况条件不同；时至今日还没有形成完整而系统的理论体 系，在机械密封的研究中学术界对摩擦机制的分析与理解没能达成统一的观点。 螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定 但是机械密封端面摩擦特性的试验研究，无论对密封体系理论的建立，还是对产 品的指导、设计、检验和使用都是必要的，而对端面摩擦特性参数的试验研究则 是试验中最为关键的部分。 1 2 国内外研究历史和现状形式 1 2 1 国外研究历史和现状 1 2 1 1 国外理论研究现状 基于螺旋槽轴承理论发展起来的螺旋槽干气密封理论始于上世纪二十年代， 螺旋槽止推轴承理念首先被德国的l g u m b e l 提出，同时采用了近似解析方法对其 进行求解【1 1 。四十年代，w i p p l e 对螺旋槽止推轴承进行进一步理论研究，提出了压 力线性分布假设，发展成为w i p p l e 轴承理【2 】。1 9 6 6 年，m u i j d e r m a n 在w i p p l e 模 型理论基础上，应用复变函数保角变换理论，将螺旋槽的模型转化为平行直线槽 模型，并且提出了较为完整的螺旋槽轴承理论【3 】。1 9 6 9 年g a r d n e r 采用流体静压原 理和动压原理相结合方式的解析法对弧形螺旋槽端面非接触式机械密封进行研究 4 1 。同年，j o h nz u k 等利用有限差分法对螺旋槽机械密封的端面流场和压力场进行 了计算，得出当槽深槽宽比小于1 8 时，可忽略横截面涡流的影响【5 j 。19 7 3 年g a r d n e r 通过试验研究水润滑螺旋槽机械密封的性能，并将研究的结果应用于潜水泵上1 6 j 。 1 9 7 4 年，h s i n g 采用摄动理论对螺旋槽流体轴向和径向的流动动态特性进行分析1 7 】。 以上可以看出，从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代初，流体动压型机械密封机理的探索 和研究为随后在工业使用打下了良好的基础。 2 0 世纪7 0 年代以后，随着电子计算机技术快速发展，借助计算机的计算、存 储、测试等能力，可通过对密封端面流场进行数值模拟能够得到比较精确的解， 为后期螺旋槽干气密封的开发、研究和设计提供了重要手段。1 9 7 4 年螺旋槽干气 密封首次