直线变深T型槽干气密封性能研究.pdf

2 0 1 1年 9月 第 3 6卷 第 9期 润滑与密封 L UBRI CAT I ON ENGI NEERI NG S e p 2 01 1 Vo 1 3 6 No 9 DO I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 0 9 0 0 5 直线变深 T型槽干气密封性能研究 张岳林 白少先 孟祥铠 李纪云 彭旭东 1 浙 江工业 大学机械工程学院浙江杭州 3 1 0 0 3 2 2 浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心浙江杭州 3 1 0 0 3 2 摘要 为增强 T型槽 干气密封的气膜承载能力及其稳定 性 提 出一种变深 T型槽 干气密封端面结构 基于气体润 滑理论模型 采用有限单元法求解雷诺方程 在不同操作参数下对 比分析变深 T型槽与等深 T型槽干气密封的工作性 能 结果表明 与等深结构相 比 变深结构有更好 的气膜承载能力和稳定性 尤其在低速低压或高速高压条件下 变深 T型槽 比等深 T型槽具有更高气膜承载能力和稳定性 关键词 干气密封 T型槽 变深 密封性能 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 9 0 1 9 5 An a ly s is o f Pe r f o r m a nce o f a Ta pe r e d T g r o o v e Dr y Ga s Fa ce S e a l Zh a n g Yu e li n B ai Sh a o x i an Me n g Xi a n g k ai L i J i y u n Pe n g Xu d o n g 1 C o l le g e o f Me ch a n ica l E n g i n e e rin g Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 C h in a 2 Th e MOE En g i n e e ri n g Re s e a r ch Ce n t e r o f Pr o ce s s Eq u i p me n t a n d I t s Re ma n u f a ct u r e Z h ia n g U n iv e rs it y o f T e ch n o lo gy H a n g z h o u Z h e j ia n g 3 1 0 0 3 2 C h in a Ab s t r a ct A n e w t y p e o f T g r o o v e d r y g a s s e al wit h t a pe r e d d e p t h wa s i n t r o d u ce d i n o r d e r t o imp r o v e lo a d ca p a b i lit y a n d s t a b ilit y Ba s e d o n g a s lu b ri ca t io n t h e o r y p e r f o r ma n ce o f t h e t a p e r e d T g r o o v e s e a l wa s n u me ri ca l ly s t u d i e d a n d co n p a r e d wit h t h a t o f T gro o v e s e al u n d e r d if f e r e n ce o p e r a t io n co n d it i o n s b y s o l v i n g t h e Re y n o ld s Eq u a t io n wit h f i n it e e le me n t me t h o d Re s u l t s s h o w t h a t t h e t a p e r e d T gro o v e h a s b e t t e r lo a d ca p a b ili t y a n d s t ab i lit y t h a n t h e T gro o v e T h e t a p e r e d T gro o v e h a s h ig h e r h y d r o d y n a mi c e f f e ct a n d s t a b i lit y co mp a r e d wit h t h e T gro o v e e s p e ci al ly i n t h e co n d it io n o f l o w s p e e d a n d p r e s s u r e o r t h a t o f h ig h s p e e d a n d p r e s s u r e Ke y wo r d s d ry g a s s e al T gro o v e t a p e r e d d e p t h s e a l p e r f o r ma n ce T型槽 干式气 体密封 T D G S 由于具有槽 型对 称 能适应双 向旋 转 的优 点而 在高 速离 心式压 缩机 螺杆式压缩机 膨胀机及气体透平机等旋转设备上获 得 了广 泛的应用 国内外学者 对 其展开 了端面流 场 端面变形分析及槽型优化等系列研究 结果表 明 T型槽 的动压 开启力相对于螺旋槽 较弱且 气膜 刚 度较小 o 由此而引起 的失效事件仍偶有发生 例 如 2 0 0 4年吉林化学工业公司化肥厂合成氨压缩机 用 T D G S 发生严 重 磨损 而 造成 密 封环 损 坏失 效 其 原因是 T D G S的流体动压作用较弱 在低压时气膜 刚度不够 而造 成密封端面直接接触磨损 因此 如 何提高 T D G S的稳 定性 和 开启 特性 一 直是 T D G S研 究和设计 中的关键 问题之一 基金项目 国家自然科学基金资助项 目 5 0 8 0 5 1 3 0 浙江省 自 然科学杰出青年基金资助项 目 R 1 0 9 0 8 3 3 浙江省 自然科 学基金资助项目 Y 1 0 9 0 6 2 0 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 6 联 系人 彭旭东 E m a i l x d p e n g 1 2 6 e o m 作者简介 张岳林 男 硕士研究生 主要从事流体密封技术 研究 近年来 激光等精密表 面加工技术 的快 速发展 使 复杂槽型密封端 面结构 的加工成为现实 为进一步改 善 T D G S的开启 特性 和稳 定 性 本 文作 者 开展 了变 槽深 T型槽干气密封 T T D G S 端面结构密封特性 的研究 采用数值方法对比分析了不同操作参数条件 下 T D G S与 T Y D G S的密封性能 1 计算模型 囹 1 所 示 为 T T D G S开槽 端 面几何 结 构示 意 图 一 个 T型槽 由与外 界相 通 的等 深引 气槽 和 位于 端 面 内的直线变深动压槽组成 设 密封环 的内外 半径分别 为 r 和 r 0 动压槽 的槽 根半径 为 动压槽与引气槽 结合面处的半径为r t 引气槽的周向弧长为W 动压 槽的周向弧长为 W 相邻两动压槽间未开槽部分的 弧长为 W 在此基础上定义 T型槽的周向比为 槽宽比为 a 径向比为 槽长 比为 3 其具体表 达式如下 1 W1 2 2 W 2 W 2 W 3 r 一r r 一r 卢 z r 一r r 一r 1 2 3 4 润滑与密封 第 3 6卷 a 2 D pla n e f ig ur e b 3 D u n it f ig ur e 图 1 变深 T型槽密封端面示意图 Fig l S ch e ma t ic o f a t a p e r e d T g r o o v e s e a l f a ce 考虑端 面 上 T型 槽结 构 的周 期对 称性 特 点 取 图 1 b 所示的一个周期性结构为研究对象或计算 单 元 其 端 面 气 膜 压 力 可 采 用 如 下 雷 诺 方 程 描 述 一 p 笔 r 6 ax o r2 5 及如下强制边界条件和周期性边界条件 尸 r r 0 P i P r r 0 P P r 0 2 r r K P r 0 6 式 中 P 为端面 内径处 压力 P o 为端 面外径处 压力 为周期性个数 采用有 限元法 求解 得到压 力分布以后可计算出 开启力 F 泄漏率 Q 气膜刚度 刚漏 比 等 密封性 能参数 计算中未作说明则采用的几何参数和操作参数如 下 r 5 8 4 2 m m r n 7 7 7 8 m m 未 开槽处 气膜 膜 厚 h 0 2 I z m P i 0 1 MP a P 0 3 M P a 经 过计 算 在上述条件下等深 T型槽的较佳几何参数取为 O t l 0 4 O t 2 0 6 卢 1 0 2 7 卢 2 0 7 槽 深 h 6 5 Ix m 在此基础上进行 T D G S与 T Y D G S密封性能 的对 比 2 计算结果分析与讨论 在转速 n 9 0 0 0 r m in P P 0 1 M P a h 0 3 m条件下 图 2 示出了仅考虑流体动压作用时的端 面量纲一压力 P p p 分 布 图 结果 表 明 在槽 两边的非开槽区P值明显升高 P 一 2 6 图2 a 与图 2 b 相比 其堰区和坝区 P值相当 但后者 槽 内低压 区的面积 P 1的面积 区域 明显小 于前 者 由此可见 1 T r D G S较 T D G S有更好 的流体动压 效应 图2 T D G S 与 t i t D G S端面量纲一气膜压力分布图 F ig 2 Dia g r a m o f d ime n s io n le s s g a s fi lm p r e s s u r e d is t r ib u t io n in t h e f a ce o f T s h a p e g r o o v e DGSs 为了对 比T D G S与 T Y D G S在不同操作参数下的 密封性能 定义性能参数的增量 比 8为 T Y D G S和 T D G S 性能参数数值之差与 T D G S 性能参数数值的比 值 且设 6 6 6 口和 8 r分别表示开启力增量 比 刚度增 量 比 泄漏量增量 比和刚漏 比增量 比 2 1 膜厚对密封性能参数增量比的影响 膜厚对密封性能参数增量 比的影 响规律如 图 3所 示 结果表 明 随着膜厚 的减 小 6 6 如和 都是先缓慢增大后急剧增大 当密封的工作膜厚为 2 3 m时 T I D G S 较 T D G S的泄漏率相当 开启 2 0 1 1 年第 9期 张岳林等 直线变深 T型槽干气密封性能研究 2 1 力略大 气膜刚度较大 当密封在外界扰动下膜厚 变大时 3 3 D G S 较 T D G S的泄漏率要小 能起到减漏 作用 当膜厚减小时 1 t r D G S较 T D G S开启力和气膜 刚度都急剧增大 能起到阻止端面接触 减小端面磨 a 5 n p哪 c 6 毛 h 损的作用 这也意味着 T r D G S较 T D G S具有更好 的开启特性和更高的稳定性 从而确保干气密封的启 动与运行安全性及强抗干扰能力 图 3 膜厚对密封性能参数增量 比的影响 F ig 3 Effe ct s o f h 0 O il t h e in cr e me n t r a t io o f t h e s e a l pe r f o r ma n ce p a r a me t e r s 2 2 压力对密封性能参数增量 比的影响 响规律 如图 4所示 不同转速下密封压力对密封性能参数增量比的影 巴 吣 po M Pa a 8 F o p h p J MP a c 8 x h 毒 po M Pa b 6 po M Pa d h 图4 压力对密封性能参数增量比的影响 Fig 4 Ef f e ct s o f t h e p r e s s u r e u p o n t he in cr e me n t r a t io o f the s e a l p e r f o r ma n ce p a r a me t e r s 润滑与密封 第 3 6卷 结 果 表 明 在 不 同 压 力 和 转 速 下 T I 一 D G S较 T D G S 开启力 最大可 以提高 到 8 以上 刚 度最 大可 以提高到 7 0 以上 刚漏 比最大 可以提 高到 6 0 以 上 而泄漏率最大不超过 1 5 随着压力 的增加 6 和 6 都是先迅速增大后缓慢减小 而 6 是 先迅速增大后迅速减小最后缓慢 减小 且 随着转速 的 增加达 到 6 6 Q 6 和 最 大值 的压 力也 在 增 加 结果还表 明 当压力 小于 0 5 MP a时 和 6 随 转 速 的减 小 而 增 大 当压 力 大 于 3 M P a时 6 6 k和 艿 随转速的增加而增大 即在低压 时速 度越 低 6 6 和 6 越 大 在 高 压 时 速 度 越 高 和 越 大 因此 r丌一 D G S较 T D G S在 低 速低压或高速高压条件下有更为明显的优势 2 3 转速对密封性能参数增量比的影响 n X 1 0 r min a 6 H 1 0 r mi n l c 6 岛 h 十po 0 3M Pa 一p 0 5 M Pa p 1M Pa P 3M Pa p 8M Pa 1 po 0 3 M Pa 十P 0 5 M Pa 一p 1M Pa po 3 M P a 一p 8M Pa 图 5所示为不 同压力下转速对密封性能参数增量 比的影响规律曲线图 结果表明 随着转速的增加 6 和 6 在 压力为 0 3 0 5 1 M P a 时先 增加 后减小 且 随着压力 的增加 6 6 和 6 达到峰值 时所需要的转速在增加 到高压 3 8 MP a 时随 着转 速的增 加 6 和 6 呈现 逐渐增加 的趋 势 由图 5 d 可知 6 在低压 0 3 MP a 时随着转速 的 增加其值逐渐减小 在高压时 8 M P a 随着转速的 增加其值逐渐增加 在速度较低 n 1 4 0 0 0 r m in 时 6 随着压力 的增加 而增加 由此也 可看 出 1 T r D G S 较 T D G S在低速低压及高速 高压时有 更 明显 的优势 n X1 0 r min 1 b 6 口 n XlO r min 一 1 d 昴 h 十p0 0 3M P a 十p 0 5 M Pa l M Pa po 3 M Pa Po 8 M Pa 十 0 3 n Pa p 0 5 M Pa p l M Pa 十p 3M Pa 8M Pa 图5 转速对密封性能参数增量 比的影响 F ig 5 E ffe ct s o f r o t a t io n a l s p e e d u p o n t h e in cr e me n t r a t io o f t h e s e al p e rfo r ma n ce p a r a me t e r s 3结论 1 与 T D G S 相比 T I D G S能有效提高开槽区 内的气膜压力 具有更好的流体动压效应 气膜厚度 越小时 T i n D G S较 T D G S具有更 大的开启力 和刚 度 因此 T I 一 D G S更有利于防止密封端面接触磨损 2 与 T D G S 相比 T r D G S有更高的气膜承载 能力和稳定性 尤其在低速低压或高速高压条件下 T r D G S 有更为 明显 的优势 参考文献 1 张轩 宋鹏云 T槽干气密封低速运转特性的理论研究 J 润滑与密封 2 0 1 0 3 5 1 0 4 9 5 4 Zh a n g Xu a n S o n g P e n g y un Th e o r e t ica l a n a ly s is o f t h e o p e r a t in g ch a r a ct e ri s t ics o f T g r o o v e d r y g a s s e a l a t t h e s lo w s pe e d co n d i t i o n s J L u b rica t i o n E n g in e e r i n g 2 0 1 0 3 5 1 0 4 9 5 4 2 李娜 朱维兵 王和顺 等 T型槽干气密封动环稳态温度分 布规律研究 J 液压与气动 2 0 0 9 4 2 5 4 6 4 9 Li Na Zh u We ib in g W a n g He s h u n e t a 1 Re s e a r ch o n d is t r ib u t io n la w o f s t e a d y s t a t e t e mp e r a t u r e f o r t h e r o t a t in g r in g o f T s h a p e g r o o v e d ry g a s s e a l J C h i n e s e H y d r a u l i cs P n e u ma t i cs 2 0 0 9 4 2 5 4 6 4 9 9 8 7 6 5 4 3 21 0 J 0 2 0 1 1年第 9期 张岳林等 直线变深 T型槽干气密封性能研究 2 3 上接 第 9页 a e r o e n g i n e p o w e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m in t h e 2 1 s t ce n t u r y J J o u rna l o f A e r o s p a ce P o w e r 2 0 0 1 1 6 2 1 0 8 1 1 4 3 Wa n g Q C h e n g H S A m i x e d l u b rica t i o n m o d e l f o r j o u r n a l be a r in g s wit h a t in s o f t co a t in g Pa r t I I fl a s h t e mp e r a t u r e a n a l y s i s a n d i t s a p p li ca t i o n t o t in co a t e d A 1 一 S i b e a r i n g J 一 b o lo g y T r a n s a ct io n 1 9 9 5 3 8 5 1 7 5 2 4 4 王俊 王黎钦 张锋 等 高速滑滚接触摩擦试验机的研制 J 润滑与密封 2 0 0 9 3 4 1 0 7 6 7 9 W a n g J u n Wa n g L iq in Z h a n g F e n g e t a 1 D e v e lo p me n t o f t h e h i g h s p e e d s l i d in g r o l l in g co n t a ct f rictio n t e s t i n g m a ch i n e J L u b rica t i o n E n g i n e e rin g 2 0 0 9 3 4 1 0 7 6 7 9 5 罗家英 朱祖昌 我国轴承钢的现状与发展概况 J 热处 理 2 0 0 2 1 7 3 4 4 5 O L u o J ia y in g Z h u Z u ch a n g Cu r r e n t s it u a t io n a n d d e v e lo p me n t o f b e a rin g s t e e l i n C h in a J H e a t T r e a t m e n t 2 0 0 2 1 7 3 4 4 5 0 6 孙冬梅 张贝 两种航空润滑油粘温特性研究 J 液压气动 与密封 2 0 0 4 5 1 2 1 3 Su n Do n g m i Zh a n g Be i T he r e s e a r ch o f v is co s it y t e mp e r a t u r e ch a r a ct e ris t i c o f t h e t w o k i n d s fo r a v i a tio n l u b r i ca t i n g o i ls J H y d r a u l ics P n e u ma t ics S e al s 2 0 0 4 5 1 2 1 3 7 陈观慈 航空发动机主轴高速滚动轴承热分析 D 哈尔 滨 哈尔滨工业大学 2 0 0 8 5 5 上接 第 1 3页 Zh o u Ch u n lia n g Uu S h u n lo n g Nu me ri ca l s imu la t io n o f s h ip p r o p e l l e r s h a f t b e a r i n g flu i d fie ld J L u b rica t i o n E n g i n e e r i n g 2 0 0 5 3 0 6 7 5 7 8 6 余江波 王家序 肖科 等 弹性模量对水润滑轴承的性能影 响 J 润滑与密封 2 0 0 6 3 1 1 1 6 9 7 0 Y u J ia n g b o Wa n g J ia x u X i a o K e e t a1 Th e e ff e ct o f e la s t i c m o d u l u s t o w a t e r l u b rica t i o n b e a ri n g J L u b ri ca t i o n E n g i n e e r i n g 2 0 0 6 3 1 1 1 6 9 7