（流体机械及工程专业论文）干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究.pdf

兰州理工人学博上学位论文 摘要 干气密封技术源于国外 我国的干气密封产品长期以来主要依赖进口 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 具有重要的现实意义 本文以螺旋槽干气密封为研究对象 对螺旋槽干气密封气体润滑膜的流动 特性进行研究 从理论计算和实验验证两个方面来研究干气密封槽内气体的动力 学特性 分析槽形几何参数对密封性能的影响及影响程度 目的是寻求密封性能 最佳的端面结构参数 实现槽形参数的最佳组合 从n s 方程出发 基于微尺度流动中的滑移边界条件 推导了螺旋槽内稳态 微尺度流动场的非线性雷诺方程 应用p h 线性化方法 将非线性偏微分方程转 化为线性偏微分方程 再引入复函数将复常数偏微分方程又变为两个线性实常数 微分方程组 并采用小参数迭代法进行求解 近似求得了螺旋槽内气体动压分布 的解析解 继而可求出气体流速分布及泄漏量的大小 与相应的实验数据对比 计算结果和实验结果基本符合 为干气密封的优化设计提供了参考 利用多目标优化方法构建了气膜刚度与泄漏量之比的协调函数 并对该目标 函数通过软件腿p l e 进行实例近似求解 获得了最佳的螺旋槽几何参数值 本文 求出的刚漏比协调函数是一无量纲式 具有普遍适用性 利用该式可获得在不同 工艺操作条件下的最佳螺旋槽几何参数值 为干气密封工程优化设计提供了可靠 的理论依据 应用p h 线性化方法及变分运算干气密封螺旋槽内瞬态微尺度流动场的非线 性雷诺方程 得到了气膜轴向刚度和角向涡动刚度的解析式 继而利用复数转换 和迭代法对稳态下气膜边值问题进行求解 求得了气膜刚度的近似解析解 通过 动态稳定性分析 获得了不同介质粘度 压力和转速下稳定性最佳的螺旋角数值 研究结果表明 随介质压力和转速增大 气膜刚度越大 稳定性越好 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 兰州理t 大学博七学位论文 a b s t r a c t t h e t 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 f d 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 cc a r r y i n go u ti 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 y g a ss e a lt e c h n o l o g y t h ep a p e rt a k e ss p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a la sr e s e a r c hp r o j e c t w h o s eg a s e o u s f i l mf l o wa n d d y n a m i c a lp r o p e r t y a r es t u d i e db yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n a n dt h ei n f l u e n c ea sw e l la sh f l u e n c ed e g r e eo ft h es p i r a l g r o o v e sg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h es e a lp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d i no r d e rt of i n d o u to p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n do b t a i ni t so p t i m u mv a l u e s b a s e do nt h en s e q u a t i o na n ds l i pb o u n d a r yc o n d i t i o n an o n l i n e a rr e y n o l d s e q u a t i o nf o ras t e a d y s t a t ea n dm i c r o m a l ef l o wf i e l dw a sd e r i v e d u s i n gp h l i n e a r i z a t i o n t h en o n l i n e a rp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n 锄b et r a n s f o r m e di n t ot h e l i n e a rp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n a n dt h e n u s i n gc o m p l e xf u n c t i o n i tc a l lb e t r a n s f o r m e di n t ot w ol i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o na g a i n t h ep r o b l e mw a ss o l v e db y u s i n gs m a l lp a r a m e t e ri t e r a t i v em e t h o d a n dt h ea p p r o x i m a t ef u n c t i o ne x p r e s s i o no f g a sd y n a m i cp r e s s u r ei nt h es p i r a lg r o o v ew a so b t a i n e d a n dt h e nt h es o l u t i o no f f l o wv e l o c i t ya n ds p i l l a g ew e r ef o u n do u t t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t si nt h i sp a p e ra g r e e w e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n ei nt h er e f e r e n c e i t su s e f u lf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f g a ss e a l sa b o u tg e o m e t r i cp a r a m e t e r s u s i n gm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o d at r a d e 0 f ff u n c t i o no f r i g i d i t y t o s p i l l a g er a t i ow a sd e r i v e da n do p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s w e r e a c q u i r e db ys o l v i n gt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nu n d e rs o f tm a p l ep r o g r a m m e t h e g i v e nt r a d e o f ff u n c t i o no fr i g i d i t y t o s p i l l a g er a t i ow a san o n d i m e n s i o n a le q u a t i o n w i t hu n i v e r s a la d a p t i v i t y s oo p t i m i z e d g e o m e t r i cp a r a m e t e r su n d e r d i f f e r e n tp r o c e s s c o n d i t i o nw e r eo b t a i n e db ys o l v i n gi t w h i c ho f f e r sr e l i a b i l i t yt h e o r yf o u n d a t i o nf o r 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 o p t i m i z a t i o nd e s i g no fg a ss e a l s u s i n gp hl i n e a r i z a t i o na n dv a r i a t i o nm e t h o d a n o n l i n e a rr e y n o l d se q u a t i o n f o rat r a n s i e n ts t a t ea n dm i c r o s c a l ef l o wf i e l dw a ss o l v e d a n dt h ea p p r o x i m a t e f u n c t i o ne x p r e s s i o n so fg a s e o u sf i l mr i g i d i t yo na x i a lp e r t u r b a t i o na n da n g u l a re d d y m o t i o nw e r ed e r i v e d a n dt h e nt h es t e a d y s t a t eb o u n d a r yv a l u ep r o b l e mf o rg a s e o u s f i l mw a ss o l v e db yu s i n gc o m p l e xf u n c t i o na n ds m a l lp a r a m e t e ri t e r a t i v em e t h o d a n dt h ea p p r o x i m a t es o l u t i o n so fg a s e o u sf i l mr i g i d i t yw e r eo b t a i n e d t h eb e s th e l i x a h g l e su n d e rd i f f e r e n l d i e l e c t r i cv i s c o s i t y p r e s s u r ea n d r o t a t i n gs p e e dw e 话 a c q u i r e db ya n a l y z i n gt h ed y n a m i cs t a b i l i t y t h er e s u l ts h o w st h a tg a s e o u sf i l m r i g i d i t yw i l lr i s ea n di t ss t a b i l i t yw i l lb eb e t t e rw h e nt h ep r e s s u r ea n dr o t a t i n gs p e e d i n c r e a s e 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 c o n d u c t e do nt h e1 8 0 0 r m i n h 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 rt e s t d e v i c ei n c h e n g d uy i t o n gs 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 fi n s t r u m e n t a t i o n s y s t e ma n dh 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 r l o s ea n dg a s e o u sf i l m r i g i d i t y o b t a i n e dt e s tr e s u l 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 dc a l c u l a t i o nd a t a c o m p a r i n gs o m ed a t af 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 ec a l c u l a t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a td y n a m i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg a sf l o wb e t w e e ns e a l f a c e si sv a l i d a t e dc o r r e c t l y a n dt h ed e v e l o p e dp r o g r a mo fa p p r o x i m a t ea n a l y s i s m e t h o di sp r a c t i c a b l e k e yw o r d s s p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l d y n a m i cl u b r i c a t i o n m i c r os c a l ef l o w g a sf i l mp r o p e r t y t r a d e o f fo p t i m i z a t i o n s t a b i l i t ya n a l y s i s j a p p r o x i m a t ea n a l y s i sm e t h o d t e s tr e s e a r c h p a p e rt y p e a p p l i e df u n d a m e n t s 代 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 图4 3 刚漏比t 与r l 的关系曲线 5 2 图4 4 刚漏比t 与螺旋角a 槽深比t 1 的关系曲面图 实例一 5 3 图4 5 刚漏比t 与螺旋角q 的关系曲线 实例一 5 3 图4 6 刚漏比t 与n 的关系曲线 实例一 5 3 图4 7 刚漏比t 与螺旋角a 槽深比1 1 的关系曲面图 实例二 5 4 图4 8刚漏比t 与螺旋角q 的关系曲线 实例二 5 5 图4 9刚漏比t 与r l 的关系曲线 实例二 5 5 图4 1 0 刚漏比t 与螺旋角a 槽深比1 1 的关系曲面图 实例三 5 6 图4 1 1 刚漏比t 与螺旋角a 的关系曲线 实例三 5 6 图4 1 2 刚漏比t 与r l 的关系曲线 实例三 5 7 图5 1 轴向刚度a 与螺旋角q 槽深比n 的关系曲面图 6 2 图5 2 轴向刚度a 与螺旋角q 的关系曲线 6 2 图5 3 轴向刚度a 与i l 的关系曲线图 6 2 图5 4 三种密封介质粘度的a a 关系曲线 6 3 图5 5 三种密封介质压力的a a 关系曲线 6 3 图5 6 三种工作转速的a a 关系曲线 m 6 4 图5 7 涡动刚度a 与螺旋角a 槽深比r l 的关系曲面 6 6 图5 8 涡动刚度a 与螺旋角a 的关系曲线 r i 0 4 5 6 6 图5 9 涡动刚度a 与q 的关系曲线 q 7 4 8 9 7 6 6 图5 1 0 三种密封介质粘度的a a 关系曲线 6 7 图5 1 1 三种密封介质压力的a a 关系曲线 6 7 图5 1 2 三种工作转速的a a 关系曲线 6 8 图6 1 干气密封试验台示意图 7 0 图6 2 高速干气密封性能测试试验台示意图 7 2 图6 3 数字式频率计工作原理图 7 3 图6 4电涡流传感器安装示意 7 7 图6 5 泄漏量随转速变化曲线 7 8 图6 6 泄漏量随介质压力的变化曲线 7 9 图6 7 功耗随转速变化曲线 8 0 图6 8 功耗随压力变化曲线 8 l 图6 9 气膜刚度随转速变化曲线 8 2 图6 1 0 气膜刚度随压力变化曲线 8 3 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 符号注释表 彳 彳j 彳2 积分常数 口 无量纲轴向刚度 口 无量纲角向涡动刚度 b b l b 2 积分蒋数 c l o c l l c c 2 l 积分常数 c l o c l l c c 2 l 彀分常数 萨 诘深一半 i lm p 气膜推力 n p 气膜无量纲推力 气膜与动环间的滑动摩擦系数 j j l 胡滑层无量纲厚度 艋 定常气膜无量纲厚度 卜 胡滑层厚度 m k 复变函数 砌7 一努森数 f 气体分子平均自由程 m 舻一力矩模数 n 蛐 刀 螺旋槽数 珥 轴的转速 r i n i n 严呵量纲压强 矿 相滑层中的压强 p a 肌 以叫境压强 p a 胁 刃 介质压强 p a 脚 弹簧压强 p a q 世漏量 m 3 s q 无量纲泄漏量 尼 密封环的内径 m m 尼 密封环的外径 m m rq 封环的半径 咖 r 刚漏比 r7 转轴扭矩n m m h 周向流速 m s 径向流速 n 怕 v 虼 动环平均线速度 虼 动环无量纲平均线速度 k 动环内圈线速度 桫 摩擦功耗 w w7 无量纲摩擦功耗 r 气膜压强的动态解 月 气膜压强定常解 口 螺旋角 弧度 口7 角位移在坐标z o x 上的投影 弧度 夕 稽斜度系数 7 角位移在坐标z o y 上的投影 弧度 应变片与转轴中心线的交角 万 两密封环间隙 口m e 迭代摄动小参数 j 7 槽深度变化的相对幅度 乃 槽台宽比 如 槽长坝长比 气体的动力粘度 p a s f 无量纲极径 面 无量纲外径 户 气体密度 k g m 3 s y 切向动量调节系数 r 元量纲时间 咖 无量纲极角 x 可压缩修正系数 y p h 无量纲函数 口 气膜力偶矩 n 衄 d 当量螺旋角 弧度 以 可压缩性系数 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 储签名修 日期 孵衫月 学位论文版权使用授权书 日 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 懈签 鹰之 导师签名 广 o 孵纩孵肾 期期 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 工作原理 被测介质自下而上流经测量管时 浮子上下端产生差压形成上 升力 当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量 浮子便上升 环隙面积随之 增大 环隙处流体流速迅速下降 浮子上下端差压降低 作用于浮子的上升力随 着减小 直到上升力与浸在流体中浮子重量平衡时 浮子便稳定在第一位置 浮 子位置的高低即对应着被测介质流量的大小 浮子内置磁钢 在浮子随介质上下 移动时 磁场随浮子的移动而变化 通过一个磁传感器将磁场变化转化成电信号 经模数变换 数字滤波 温度补偿 微处理器处理 数模转换 液晶显示 开关 控制输出 来显示出瞬时流量和累积流量大小并加以控制 6 3 2 3 端面摩擦功耗的测试技术 机械密封功耗的测量有三种方法n 枷 第一种是测量电功率 事先标定试验 装置本身的空载功率 然后由密封运转时的总功率减去空载功率即为密封功率 第二种通过测量转矩m 和转速n 角速度0 利用公式n m 来计算功率 同样 计算中应减去试验装置的空载转动力矩 第三种是热平衡法 即通过测量密封流 体的循环流量q 和进出口温差 t 来计算功耗 n c q t 其中c 为密封流体的比 热容 本试验装置采用第二种方法 通过测量转矩计算功率 机械密封端面摩擦 扭矩的测试技术目前主要有支反力法和传递法 支反力法是根据动力机械在扭矩作用下所产生的支座反力的变化来测量摩 擦扭矩的 其优点是不存旋转件到静止件的信号传输问题 而且确定支座反作用 力的方法简便 容易实施 在可转动密封腔上设置测力杆 并使之作用于力传感 器上 由此测得扭矩 但是 密封腔旋转支承的摩擦会影响测试精度 所以对旋 转支承要求极高 传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化来测量扭矩 的 采用传递法测量扭矩的仪器小巧轻便 扭矩传感器可以直接串接到传动系统 中 而无须改变机械系统结构 在电动机与密封主轴之间安装扭矩传感器 测量 转轴扭矩 将所测得的扭矩减去空载运行时主轴承的摩擦扭矩和旋转件在介质中 的搅拌扭矩 便可求得机械密封端面摩擦扭矩 本试验装置采用传递法即在电机与主轴之间安装了二个相互垂直的j d n 一 7 4 兰州理工大学博l 学位论文 2 5 型电阻应变式扭矩传感器 电阻应变片 可将o 2 5 n m 的扭矩量转换成o 9 3 1 m v 的电压输出 j d n 2 5 型扭矩传感器的工作电压范围为o 一 l o v 量程为 o 2 5 n m 精度为0 5 扭矩传感器输出的应变电压信号 通过集流环装置接入 y d 1 5 型动态电阻应变仪 经放大 滤波后输出应变量 6 3 2 4 气膜刚度的测试技术 气膜刚度是指气膜的推力与气膜厚度或位移的比值 因而气膜刚度的测定可 通过分别测量气膜压力和气膜位移而得到 一 1 端面流体膜压的测试技术 m a y e re 较早对机械密封端面间的流体膜压进行了测量尝试 他通过在静 环上开相隔9 0 的3 个直径为2 胁的通孔将流体引至压力传感器 对端面膜压 进行了测量n 札1 宋鹏云 gfb r e m n e r vaz i k e e v 张继革等也采用开测压孔的方法 慰 端面膜压进行了测量 用开测压孔的方法测量膜压时 由于测压孔的存在会使开 孔部位的液膜流场发生改变 从而在测量结果中引入了误差n 纠伽 一协 i j b i l l i n g t o n 用不同直径测压孔进行比较 得到的结论是 对于层流 流动 开孔尺寸的影响可以忽略 而对于紊流流动 影响则相当显著 张家犀等将3 个微型压阻式传感器沿静环周向均布安装于 3 处不同的径向 位置 对端面膜压进行了测试n 蚓 j d i g a r d 在静环上设置一直径为1 6 衄的微型传感器 以测试端面膜 压 静环及其支承可相对于动环作径向移动 以便测试沿径向宽度的膜压分布 l 柚 一 用于机械密封端面流体膜压的测试 还有压电式传感器 电容式传感器及电 容式压力传感器 上述各种膜压的测试方法都取得了一定结果 但还存在不少问 题 研究工作还有待于进一步深入 一 本试验装置采用1 个微型压阻式传感器布置于静环直径1 6 6 5 m m 处 其位置 对应于动环螺旋槽内径 对端面膜压最大值进行了测试 通过进出口压力和最大 压力的三点数值拟合抛物线曲线 求出抛物线曲线压力方程 再积分求出气膜推 力 兰州理工人学博上学位论文 需大量的实验研究 本文采用了s t 一1 型电涡流位移传感器 电涡流位移传感器是一种常用的非 接触式位移传感器 采用的是感应电涡流原理 其工作过程 当被测金属与探头 之间距离发生变化时 探头中线圈的电感量也发生变化 从而引起振荡器的振荡 电压幅度变化 这个随距离变化的振荡电压经测振仪检波 滤波和线性校正后变 成了与位移成正比的电压量 将4 个传感器均匀安装在静环端面上 图6 4 在静环端面直径1 6 7 姗处 打通孔 将传感器镶嵌在静环内 螺纹连接 然后和静环一起研磨加工表面 这 样基本上不会破坏流体的动压效应 图6 4 电涡流传吕器安装示意 本试验装置采用测振仪可测出试验过程中的振动量 测振仪是用来直接指示 位移 速度 加速度等振动量的峰值 峰一峰值 平均值或均方值的仪器 这一 类仪器一般包括微积分电路 放大器 检波器和表头 它能使人们获得振动的总 强度 振级 的信息 而不能获得振动频率等其它方面的信息 测振仪型号为 d z 一2 测量范围为0 0 0 1 3 0 咖 精度为5 6 4 特性参数的测定结果与分析 6 4 1 泄漏量测定 6 4 1 1 不同工作转速下的泄漏量测定 在不同转速条件下 用空气做为工质其压力为2 m p a 表压 一级密封出口 千气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 6 4 2 1 不同工作转速下的功耗测定 在不同转速条件下 用空气做为工质其压力为2 m p a 表压 测出不同工作 转速下的功耗如表6 3 所示 表6 3 不同工作转速下的功耗数值 为了更清楚的表示功耗与转速间的关系 将理论功耗曲线与实测功耗曲线用 图6 7 表示 私 1 6 妻1 2 8 4 刁唧 删塌删疆删1 u 哪 礤朋 1 1 删 图6 7 功耗随转速变化曲线 从图6 7 中可看出随转速增大功耗增大 实际测试值偏大于理论计算值 最 大相对误差为2 1 2 其主要原因为 由于正常运行时与空载运行时的工况并不 相同 致使结果可能出现较大的偏差 准确性较难保证 6 4 2 2 不同介质压力下的功耗测定 在不同的介质压力条件下 用空气做为工质其转速为1 0 7 4 7 r m i n 不同工作 压力下的功耗如表6 4 所示 兰州理工大学博十学位论文 表6 4 不同工作压力下的功耗数值 为了更清楚的表示功耗与压力间的关系 将理论功耗曲线与实测功耗曲线用 图6 8 表示 恐 2 0 1 0 善 1 6 1 2 图6 8 功耗随压力变化曲线 从图6 8 中可看出随压力增大功耗增大 实际测试值偏大于理论计算值 最大相对误差为1 5 7 其主要原因为 由于正常运行时与空载运行时的工况并 不相同 致使两者功率之差与实际功耗出现较大的偏差 准确性较难保证 6 4 3 气膜轴向刚度测定 气膜刚度测定通过分别测量气膜推力和气膜位移而间接获得 气膜推力通过 测定最大膜压而获得 即通过进出口压力和最大压力的三点数值拟合抛物线曲 线 求出抛物线曲线压力方程 再积分求出气膜推力 8 l 兰州理工大学博 学位论文 6 4 3 2 不同介质压力下的刚度测定 在不同的介质压力条件下 用空气做为工质其转速为1 0 7 4 7 r m i n 不同工作 压力下的气膜刚度如表6 6 所示 表6 6 不同工作压力下的气膜刚度数值 为了更清楚的表示气膜刚度与压力间的关系 将理论气膜刚度曲线与实测气 膜刚度曲线用图6 1 0 表示 复 1 8 1 6 主1 4 1 2 1 0 8 6 4 0 40 6o 卫1 01 21 41 61 82 0 p o 删嘲 图6 1 0 气膜刚度随压力变化曲线 从图6 1 0 中可看出随压力增大气膜刚度也增大 实际测试值与理论计算值 出现了偏差 最大相对误差为1 3 7 其主要原因为 实测气膜推力的计算为一 近似值 由于测量的空间有限 只测定了三个点的气膜压力值来拟合抛物线曲线 求出抛物线压力方程与实际压力分布存在较大的偏差 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 6 5 本章小结 螺旋槽干气密封特性参数是决定干气密封工作寿命和密封性能好坏的关键 因素 干气密封特性参数的测试是干气密封试验研究和产品质量评价中的关键 技术 本章介绍了泄漏量 端面摩擦扭矩 端面流体膜厚及端面流体膜压的测试 技术 探讨了常用测试方法的优缺点及难点 针对气体端面密封试验台的具体结 构和试验内容要求 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 采用传统的电子仪器测试系统对螺旋槽干气密封特性参数进 行了测定 用磁电式传感器和数字式频率计测量了转速 用金属管浮子流量计测 量了泄漏量 通过测量转矩计算功率 用动态电阻应变仪测量了转矩 用微型压 阻式传感器测量了气膜压力 用电涡流位移传感器测量了气膜位移 继而计算了 气膜刚度 给出了气体端面密封试验的测试结果 并根据测量结果分析参数之间 的变化趋势 并分析了可能出现误差的原因 为评价气体端面密封的性能提供了 有效依据 从图6 5 和图6 1 0 中可以看出 虽然试验得到的分布曲线基本上与理论曲 线相符 但存在个别部位或某次试验时干扰信号使得所测资料偏差较大的问题 经过反复多次试验 产生这种偏差的主要原因在于 1 机械结构精度的影响 主要是传动装置及试验密封的加工精度影响 使密 封面间的气膜产生变形 对气膜压力场产生一定的干扰 2 转轴的轴向窜动以及试验台的震动对传感器的测量精度都会产生一定的 影响 3 干扰信号的影响 由于无法对传感器的轴心线圈进行屏蔽 在测试时出现 的干扰信号也会影响测试的精度 4 供电电源的影响 以及信号远传 都会给测量带来误差 随着机械密封技术的日益发展 对试验装置和检测手段的要求也越来越高 特别是端面摩擦特性参数的测试精度 可靠性要求更加严格 为提高试验效率 减轻试验人员负担 利用计算机进行数据采集与处理已成为一种趋势 与密封端 面摩擦有关的特性参数的测试难度较大 测试精度和可靠性还有待于进一步提 高 而消除测试过程中外部较大的干扰信号则是关键技术 兰州理工大学博l 学位论文 结论与展望 本课题对螺旋槽干气密封气体润滑膜的静 动态特性进行了理论和实验研 究 分析了槽形几何参数和操作参数对密封性能的影响 得到了以下一些结论 1 通过p h 线性化方法和迭代法对干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定边值问题 的近似求解 得到了动压近似函数解 继而求出了稳态微尺度流动场的泄漏量和 功耗的解析解 结果表明 密封端面间气膜在径向存在较大的压力梯度 压力由 外径向内径逐渐升高 在槽的根部气膜压力达到最大值 端面间隙减小时 动压 效果增强 气膜压力增大 反之 当端面间隙增大时 动压效果减弱甚至消失 气膜压力减小 随转速的增大 泄漏量和摩擦功耗增大 随压力比的增大 泄漏 量和摩擦功耗也增大 随粘度的增大 泄漏量减少而摩擦功耗增大 2 螺旋槽干气密封操作的稳定性和可靠性与其槽形参数密切相关 优化槽形 参数一直是该领域研究的热点 利用传统的多目标优化方法构建了气膜刚度与泄 漏量之比的协调函数 并对该目标函数进行了近似求解 获得了最佳的螺旋槽几 何参数值 继而利用该协调优化设计程序对实际工作的问题进行了求解 这里例 举了三个典型的工程设计问题 并求得了最佳的螺旋角和最佳的槽深比数值 为 螺旋槽干气密封的优化设计提供了理论基础 3 由于微米量级的密封间隙极易受到外界干扰 结构参数等影响 极有可能 导致动静密封环间的干摩擦或泄漏量增大 因而保证气膜动态稳定性是干气密封 可靠运行的关键 应用p h 线性化方法及变分运算干气密封螺旋槽内瞬态微尺度 流动场的非线性雷诺方程 得到了气膜轴向和角向涡动刚度的解析式 研究结果 表明 随着工作转速和介质压力的增大 气膜涡动刚度变大 稳定性越好 但最 佳的螺旋角不变 即操作参数的改变不影响最佳螺旋角的选择 4 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 许多 现象和规律必须靠实验来发现 理论模型和计算结果也必须靠实验来验证 试验 研究表明 高转速 高压力时理论计算与试验结果的相对误差小 因而该套计算 公式和程序可应用于压缩机用的干气密封中 误差随转速下降而上升 因而低转 速时还应考虑稀薄气体效应 目前泵密封研究热点 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 通过本课题的研究 从中发现了一些尚待解决的问题 今后拟从以下三个方 面进行研究 1 非线性动力学问题的研究 本课题用线性近似方法处理气膜非线性问题时 理论计算值与试验值之间存 在着误差 有些计算点的相对误差还较大 这就需要用非线性理论去处理非线性 问题 因为干气密封系统本身就是非线性的 密封压力的雷诺方程是非线性偏微 分方程 气膜推力是非线性瞬态力 气膜的涡动和密封环的振动也是非线性振动 然而从滑动轴承发展而来的干气密封其系统非线性动力学的研究很少 以致系统 中存在的许多由非线性因素引起的多种复杂动力学行为尚没有彻底搞清 不能满 足现代工程设计的要求 迫切需要揭示干气密封系统非线性动力学行为 为优化 设计 稳定控制及故障诊断提供理论基础 2 结构优化和现代优化方法的应用 目前在化工泵中遇到的难题之一是高温介质的零泄漏问题 解决这一关键问 题的最好方法是采用波纹管式干气密封 以焊接金属波纹管替代弹簧作为弹性元 件 由于波纹管具有辅助密封作用 这样不但省掉了橡胶制作的动环辅助密封圈 将密封的使用温度扩大n 2 4 0 6 5 0 而且具有较好的轴向浮动性 提高了 密封性能 通过对金属波纹管材料的选择和结构参数优化 调节波纹管的刚度 使波纹 管的弹力更趋稳定 保障机封既有稳定的工作性能 又有较长的使用寿命 同时采用基于遗传算法的多目标优化方法 去寻求干气密封综合性能好的槽 形结构参数 尤其是获得比螺旋线形槽动压效果好的拟合曲线 从而提高密封性 能 3 现代测试技术的应用 将先进的虚拟仪器技术引入气体端面密封试验台的测试技术中 实现机电的 有机结合 开发基于虚拟仪器测控技术的气体端面密封试验台的测试系统 在虚拟仪器测控技术的基础上 完成相关传感器的选型与安装 以及系统的硬件 配置和软件编程 建立一套完整的气体端面密封试验台的测试系统 能实现相关 参数的信号采集与处理以及曲线拟合等功能 兰州理工大学博士学位论文 参考文献 1 f o r tj j e h lj m a g n e t i cb e a r i n g sa n dd r ys e a l si m p r o v ec o m p r e s s o ro p e r a t i o n j h y d r o c a r b o np r o c e s s i n g o c t o b e r1 9 8 8 5 3 5 5 2 2 f i s c h b a c hmj d r ys e a l a p p l i c a t i o n s i n c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r s j h y d r o c a r b o np r o c e s s i n g 1 9 8 9 6 8 1 0 4 7 5 1 3 曹登峰 宋鹏云 李伟 赵越 螺旋槽气体端面密封动力学研究进展 j 润 滑与密封 2 0 0 6 5 1 7 8 1 8 2 4 j o s e fs e d y i m p r o v e dp e r f o r m a n c e o ff i l m r i d i n gg a ss e a l s t h r o u g h e n h a n c e m e n t j a s l et r a n s a c t i o n 1 9 6 7 2 3 1 3 5 4 4 5 g a r d n e rj a m e sec o m b i n e dh y d r o s t a t i ca n dh y d r o d y n a m i cp r i n c i p l e sa p p l i e dt o n o n c o n t a c t i n gf a c es e a l s c i n p r o c e e d i n go f4 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o n f l u i ds e a l i n g p a p e rh 2 1 9 6 9 3 5 1 3 6 0 6 6 z u kj p e n k e lhe n u m e r i c a ls o l u t i o n sf o rt h ef l o wa n dp r e s s u r ef i e l d si na l l i d e a l i z e ds p i r a lg r o o v e dp u m p i n gs e a l e 1 i n p r o c e e d i n go f4 t hi n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nf l u i ds e a l i n g p a p e rg 1 1 9 6 9 2 9 0 3 0 1 7 7 g a r d n e rj a m e ser e c e n td e v e l o p m e n to nn o n c o n t a c t i n gf a c es e a l s j l u b r i c a t i o ne n g i n e e r i n g 1 9 7 3 2 9 2 4 0 6 4 1 2 8 z o b e n s a r t h u na n o n c o n t a c t i n gf a c es e a la p p l i c a t i o nf o rs e a l i n gg a sa t 1 0 5 p s i g 7 0 0 0 r p m j l u b r i c a t i o ne n g i n e e r i n g 1 9 7 5 3 1 1 1 6 1 9 9 9 g a b r i e lr pf 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 es e a l s j s t l e h b r e n g 1 9 9 4 5 0 3 2 1 5 2 2 4 1 0 k o w a l s k ic a b a s uer e v e r s er o t a t i o nc a p a b i l i t yo fs p i r a l g r o o v eg a sf a c e s e a l s j t r i b o l o g yt r a n s a c t i o n s 1 9 9 5 3 8 3 5 4 9 5 5 6 1 1 e v e n s o nr o b e r t p e t e r s o nr o b e r ta n dh a n s o nr i c k p r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o n a n da p p l i c a t i o no fa l t e r n a r ed r yg a ss e a lf a c em a t e r i a l s j l u b r i c a t i o n e n g i n e e r i n g 1 9 9 4 5 0 3 2 4 7 2 5 2 1 2 王建荣 顾永泉等 圆弧槽气体润滑非接触式机械密封的特性 流体工程 1 9 9 1 1 9 3 1 6 1 3 彭建 螺旋槽干气密封的优化设计 j 流体机械 1 9 9 5 2 3 3 9 1 1 1 4 刘斌 蔡纪宁 张秋翔 林培峰 螺旋槽端面干气密封的参数研究 j 北 京化工大学学报 2 0 0 2 2 9 5 5 6 6 0 1 5 宋鹏云 陈匡民 董宗玉 螺旋槽上游泵送机械密封性能的解析计算 j 润滑与密封 1 9 9 9 4 5 7 1 6 宋鹏云 旋槽上游泵送机械密封性能影响因素分析 j 润滑与密封 2 0 0 0 3 5 0 5 3 1 7 李双喜 蔡纪宁 陈罕 张秋翔 高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分 析 j 北京化工大学学报 2 0 0 3 3 0 1 5 2 5 6 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳 动态特性研究 1 8 王彤 徐洁 谷传纲 微尺度效应对螺旋槽干气密封的影响 j 工程热物 理学报 2 0 0 4 2 5 增刊 3 9 4 2 1 9 r u a nb o n u m e r i c a lm o d e l i n go fd y n a m i cs e a l i n gb e h a v i o ro fs p i r a lg r o o v e g a sf a c es e a l s c p r e s e n t e da tt h es t l e a s m et r i b o l o g yc o n f e r e n c e s a n f r a n c i s c o c a o c t o b e r 2 2 2 4 2 0 0 1 2 0 m i l l e rb g r e 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