（化工过程机械专业论文）双向旋转枞树型槽干式气体端面密封的性能研究.pdf

浙江1 = 业大学硕士学位论文 双向旋转枞树型槽干式气体端面密封的性能研究 摘要 干气密封具有节能、环保、寿命长、可靠性高等优点，已被广泛应用于石油天然气、 石油化工、冶金和航空航天等重要的工业与行业领域。然而在实际运行中，原动机转向 和工艺操作流程错序等综合因素往往容易造成离心机泵等设备的反向旋转，因此导致常 规单向型槽端面干气密封无法产生流体动压开启力而引起端面的磨损失效，造成转轴抱 死、装置停产等恶劣事故。为了降低离心机泵反向运行的风险，满足双向旋转的使用要 求，约翰克兰公司推出了双向旋转枞树型槽端面结构的干气密封( f - d g s ) 并在现场得 到成功应用。尽管如此，但是目前f d g s 的密封机理与性能及其变化规律尚不清楚， 缺少系统的设计理论与方法，无法满足国内生产与用户的有关需求。 本文首先基于气体润滑理论，建立了f d g s 和螺旋槽干气密封的通用数学分析模 型，采用有限元法求解，结合有关文献中实验数据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。其次，在端面产生的流体动压效应、密封性和稳定性等方面，分 析对比了f - d g s 与典型螺旋槽干气密封两者性能间的优劣，结果表明：尽管f - d g s 端 面产生的动压效应与密封稳定性相对处于劣势，但是其密封性较好，端面间气膜压力分 布稳定均匀，且适合双向旋转应用场合。接着研究了f d g s 在不同操作工况和不同端 面型槽几何结构参数条件下，其密封性能( 包括开启力、气膜刚度、泄漏率、刚漏比等 参数) 的变化规律，给出了不同型槽几何结构参数f - d g s 的最佳适用工况，以及在不 同工况条件下各端面几何参数的优选范围。最后，在此基础上，研究了f d g s 端面枞 树型槽的径向列数、周向非对称结构和径向异形结构等对密封性能的影响规律，提出在 相同操作工况条件下，当f d g s 端面型槽为两列槽且各列槽的槽台比、径向比均相等 时其性能最佳；为了提高f d g s 的开启能力与稳定性，可适当减小反向槽的槽台比。 本论文研究成果将为工程解决双向旋转枞树型槽的设计选型、提高密封稳定性与可 靠性提供理论依据，进一步满足大型机械设备对于轴端密封高可靠性、高稳定性以及可 双向旋转等的要求，因此具有重要的理论意义和工程应用价值。 关键词：双向旋转枞树型槽，干气密封，动压性能，密封性能，型槽特点 a b s t ra c t p e r f o r m a n c er e s e a r c h o nab i d i r e c t i o n f i rt r e eg r o o v ed r yg a s f a c es e a l a b s t r a c t a d r yg a ss e a l ( d g s ) h a sb e e nw i d e l yu s e di np e t r o l e u m , c h e m i c a l , m e t a l l u r g i c a l ， a e r o n a u t i c sa n ds p a c ea n do t h e ri m p o r t a n ti n d u s t r i e sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e sw i t he n e r g y c o n s e r v a t i o n , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , l o n gl i f e ，h i g hr e l i a b i l i t y , e t c h o w e v e r , i nt h ea c t u a l o p e r a t i o n , w h e nac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ro rp u m pi sd r i v e nb ym o t o r so rs t e a mt u r b i n e s w h i c ht u r nr e v e r s er o t a t i o n , o rw h e nt h ep r o c e s si so p e r a t e di m p r o p e r l y , ad g sw i t ht h e c o n v e r s i o n a ls i n g l eg r o o v e sw o u l df a i lt ow o r kn o r m a l l ya n dr e s u l ti ns e v e r ef a c ew e a r , e v e n i na n t i s e i z u r ef a u l t s t h er e a s o nf o rt h i si st h a ts u c had g sc a n n o tp r o v i d ee n o u g ho p e n n i n g f o r c et of o r maf u l l - t h i ng a sf i l mb e t w e e nt h et w of a c e st os e p a r a t et h e m ab i - d i r e c t i o n a lf i r t r e eg r o o v ed r yg a ss e a l ( f d g s ) i si n v e n t e da n dp r e s e n t e db yj o h nc r a n el n c t om e e tt h e n e e d s a l t h o u g hs u c haf - d g sh a sb e e nu s e di nt h ef i e l d ss u c c e s s f u l l y , t h es e a lm e c h a n i s m s a n dp e r f o r m a n c eo faf - d g sr e m a i nu n k n o w n , a n dt h et h e o r yo fd e s i g no faf - d g si s u n o p e nt ot h ew o r l d t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho np e r f o r m a n c ea n dd e s i g nm e t h o d so faf - d g s i s n e e d e dt om e e tt h ed o c u m e n t a ln e e d so f p e t r o l e u na n dc h e m i c a li n d u s t r i e s f i r s t l y , ag e n e r a ln u m e r i c a la n a l y s i s m o d e li ss e t u p f o rb o t haf - d d sa n da s p i r a l g r o o v e dd r yg a ss e a lb a s e do nt h et h e o r yo fg a sl u b r i c a t i o n , a n dt h ef i n i t e e l e m e n t m e t h o di su s e dt os o l v et h ee q u a t i o n s c o m p a r i s o n so ft h en u m e r i c a lr e s u l t sw i t ht h et e s t r e s u l t sp u b l i s h e di nt h er e f e r e n c e sh a v eb e e np r o v e dt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em o d e l s a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d s e c o n d l y , t h eh y d r o d y n a m i ce f f e c to ff - d g si sa n a l y z e dt h r o u g h i tc o m p a r ew i t hs p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l h y d r o d y n a m i ce f f e c ta n dc o u l df o r ms t a b l e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，f - d g sh a so b v i o u s a n du n i f o r mg a sf i l m t h er e s e a r c hw h i c h d e s c r i b et h ei n f l u e n c er o l eo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r st os e a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ( i n c l u d i n g o p e nf o r c e ，f i l ms t i f f n e s s ，l e a k a g ea n dt h er a t i oo ff i l ms t i f f n e s s t ol e a k a g e ) a td i f f e r e n t g r o o v et y p e si sd o n e ，t ot e l lt h a th i g h - s p e e da n dl o w - p r e s s u r ea r et h em o s ts u i t a b l ec o n d i t i o n s f o rf d g s a n dt h e nt h ec o m p a r i o n so fs u r f a c eh y d r o d y n a m i ce f f e c t ，s e a l i n ga b i l i t ya n ds t a b i l i t y 浙江工业大学硕士学位论文 b e t w e e naf d g sa n das p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a la r em a d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s t a b i l i t ya n dh y d r o d y n a m i ce f f e c to faf - d g s a l ei n f e r i o rt ot h a to fas p i r a lg r o o v ed r yg a s s e a l ，b u taf - d g sh a sr e l a t i v es t r o n gs e a l i n ga b i l i t ya n dm o r ee v e nd i s t r i b u t i o no fg a sf i l m p r e s s u r et h a nas p i r a lg r o o v ed r yg a ss e a l af - d g sa l s oc a l lr o t a t ei n b i - d i r e c t i o n t h i r d l y , t h es e a l i n gp e r f o r m a n c e so faf - d g sa r es t u d i e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ff n - t r e eg r o o v e s ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e o p e n i n gf o r c e ，g a sf i l ms t i f f n e s s ，l e a k a g e ，a n dl e a k a g et o f i l ms t i f f n e s sr a t i o t t l em o s t s u i t a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa l e p r e s e n t e d ，a n da l s ot h eo p t i m i z e dv a l u e so ff i r - t r e eg r o o v e su n d e rt h eg i v e no p e r a t i n g c o n d i t i o 璐 l a s t ，t h ee f f e c to fr a d i a lr a wn u m b e r , t h ec i r c u m f e r e n t i a la s y m m e t r i cc o n s t r u c t i o n , r a d i a l h e t e r o m o r l g a i cc o n s t r u c t i o no ns e a l i n gp e r f o r m a n c eo faf - d g sa r es t u d i e do nt h ea b o v e b a s i s t h er e s u l t ss h o wt h a taf d g sw i t ht w or a d i a lr o w sp e r f o r m sb e s t ，i nw h i c ht h ew i d t h r a t i oo fg r o o v et os e a l i n gd a mo fe a c hs i n g l eg r o o v ei se q u a l t h ew i d t hr a t i oo fg r o o v et o s e a l i n gd a mo ft h ed o w ng r o o v e si ss u g g e s t e dt o b ed e c r e a s e dt os o m ee x t e n ts o a st o i m p r o v et h eo p e n i n ga b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f af - d g s t h er e s u r so ft h i sp a p e rw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es e a lf a c ed e s i g n , h o wt o c h o o s ea p p r o p r i a t ef - d g su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n di m p r o v es t a b i l i t ya sw e l l a sr e l i a b i l i t y t h i sw i l lb ea l s oi np o s s e s s i o no ft h e o r e t i c a lm e a n i n ga n de n g i n e e r i n gv a l u et o m e e tr e q u i r e m e n t so fr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n db i - d i r e c t i o nc o n d i t i o n so fl a r g es h a rs e a l k e y w o r d s ：b i - d i r e c t i o n f i rt r e e g r o o v e ，d r yg a ss e a l , h y d r o d y n a m i ce f f e c t ，s e a l p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，c h a r a c t e r i s t i c so fg r o o v e 浙江t 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 干气密封( d r yg a ss e a l ，简写为d g s ) 是一种依靠在旋转环( 或者静止环) 端面 上加工均匀分布的动压槽，产生动压效应来实现端面非接触运行的机械密封【l 】，其中最 典型的动压型槽为单向旋转的螺旋槽【2 。3 1 。干气密封具有节能、环保、寿命长、可靠性 高等优点，已被广泛应用于石油天然气、化工和航空航天等重要的工业行业。然而在实 际启运期间，当离心机泵出口阀门泄漏或错序开启，当机泵和其出口阀之间存在大量气 体或驱动电机的电极错误连接时，机泵很容易产生反向旋转，此时常规的单向旋转密封 型槽将无法提供动压开启力而极易导致端面的磨损失效，甚至发生抱轴、停车等恶性事 故【4 1 。为了降低机泵反转带来的实际运行风险，满足双向旋转工况条件对干气密封的使 用要求，j 0 l l nc r a n e 公司推出了双向旋转枞树型槽端面结构的干气密封【5 】( f i r - t r e e g r o o v e dc h - yg a ss e a l ，简写为f - d g s ) ，如图1 1 所示。 柏 ，_ t 、 图1 1 双向旋转枞树型槽干气密封端面结构示意图 f d g s 的主要特点是在密封端面圆周方向上均匀分布若干个“枞树型 浅槽，每 个枞树型槽包括径向供气槽以及分布于供气槽左、右两侧的类似枞树叶片状的型槽；枞 树型槽在半径方向上一般有两列，列与列之间是不开槽的台区，此设计增加了增压区的 数量，有效地解决了一般双向旋转型槽设置造成的增压区数量减少、气膜承载能力下降 等问题。其优点是【6 1 ：当装置的动环随旋转轴正向旋转或者逆向旋转时，由于枞树型槽 第1 章绪论 组的特殊端面形状，均可在动、静环密封端面之间形成连续、稳定的流体薄膜，有效地 实现非接触密封，特别适用于可双向旋转的干式气体密封。 目前，f d g s 主要用作我国石化行业用离心压缩机的轴端密封，但是，由于f d g s 是j o h nc r a n e 公司的专利产品，加上其端面枞树型槽结构比较复杂，因此关于其密封特 性及其端面几何结构的设计理论与方法等内容的系统研究，国内外尚未见到有关公开报 道，这给我国石油、石化等重要用户正确使用f d g s 并对其使用过程中出现的故障进 行深入分析带来了不便。所以，针对f - d g s 开展相关研究，建立并提出双向旋转工况 干气密封端面几何结构的设计理论与方法，具有重要的理论与实际意义。 本课题论文拟基于气体润滑理论，建立f d g s 的数学分析模型，采用有限单元法 对其进行求解得到端面压力分布，并与典型螺旋槽干气密封对比分析其动压特性机理； 研究操作条件和几何结构参数等因素对端面开启力、气膜刚度、泄漏率、刚漏比等密封 性能参数的影响规律，探讨双向旋转枞树型槽中各种同类异型结构型槽密封的特点，提 出枞树型槽的设计理论与方法。研究成果将为工程上解决f d g s 在不同工况下的设计 选型和故障分析提供理论依据与指导，进一步满足国家支柱行业大型关键旋转设备对轴 端密封高可靠性、高稳定性及可双向旋转等方面要求，为d g s 的国产化奠定基础。 1 2 干气密封国内外研究的现状及存在的问题 1 2 1 干气密封的理论研究 干气密封是在气体润滑轴承理论研究的基础上发展起来的，它的理论研究方法主要 基于流体动压润滑理论。对密封性能的研究首先要建立分析模型，最传统的分析模型为 二维r e y n o l d s 方程，其优点是简单方便，对于需要考虑复杂因素的情况，能够方便地 添加修正因子进行修正，但是该模型忽略了惯性力，不能准确的描述高速下的堵塞流现 象【7 捌。随着计算机水平的提高，计算流体动力学( c f d ) 技术也迅速发展，出现了一 些大型商业分析软件如f 1 u e n t 、c f x 等，能够有效准确的求解三维n a v i e r - s t o k e s 方程 模型，该模型能够更直观更全面地模拟出流场分布，分析密封机型1 0 以1 1 ，但对于计算面 积大、流体膜超薄的情况普遍存在缺陷，且不宜添加修正因子，对于宏观的密封特性不 能求解。对于f d g s ，有关其密封特性的分析主要基于宏观端面特性，因此适合采用 r e y n o l d s 方程作为分析模型。 干气密封技术的理论研究方法主要以理论解析计算和数值模拟为主【12 1 。早期研究多 2 浙江工业大学硕士学位论文 采用理论解析计算，一般认为其主要发展始自w i p p l e 的窄槽理论【1 3 】：随后v o h r 和p a n 等人【1 4 1 拓展了w i p p l e 的窄槽理论，并导出了任意槽的压力分布微分方程；m u i j d e r m a n 1 5 】 完善了窄槽理论模型，并在此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，提出了较为完整的螺旋槽轴承理论用于解决螺旋槽轴承的理论计算问 题。在已有研究基础上，c o n s t a n t i n e s c u 等人【l6 j 运用解析法研究了气体螺旋槽止推轴承 的性能；g a r d i l e r 【1 7 】以螺旋槽轴承的近似解析理论为基础，研究了螺旋槽端而密封的性 能，并首次将螺旋槽轴承的研究方法运用到端面密封研究中。 然而，由于气膜压力控制方程很难直接求解，所以解析法需要作大量的假设简化， 这给精确描述干气密封的性能带来一定的误差，随着计算机水平的发展，目前数值模拟 计算是最常用的方法。b o n n e a u 等人【i8 】通过与不同的数值计算方法相比较，认为无论在 精度上还是在效率上，有限单元法都是一种更适合用于对带沟槽的气体止推轴承或者干 气密封进行分析的数值计算方法，并指出在方程中引入“迎风因子可解决系统振荡的 问题；w h 等人【l ”用数值方法分析了非接触式气体密封环动压开启特性以及密封端面上 压力、速度等流场的分布；f 撕a 【1 9 】采用一种高精度、高效率的有限单元法对高速下螺 旋槽于气密封进行了分析，该方法基于具有高阶形函数的伽疗金加权余量法。林培峰【2 0 】 应用有限元法计算了螺旋槽干气密封压力分布，利用伽辽金法对控制方程进行求解，分 析了螺旋槽干气密封。尹晓妮 2 l 】基于四种不同单元形函数，对中低速光滑面螺旋槽干气 密封的密封性能进行了有限元分析；彭旭东等2 2 , 2 3 1 采用有限单元法研究了变形对密封性 能的影响。 1 2 2 不同型槽干气密封的研究 干气密封是一种依靠在旋转环( 或者静止环) 端面上均匀分布的动压槽，产生动压 效应来实现端面非接触运行的机械密封。常见的动压型槽有：螺旋槽、v 型槽、圆弧槽、 直线槽等，其中螺旋槽为最普遍的型槽。1 9 6 8 年，j o h nc r a n e 公司研制出圆弧面螺旋槽 非接触式机械密封，获得美国专利【2 训。1 9 7 4 年，螺旋槽气体润滑机械密封首次成功地 应用于炼油厂的透平膨胀机上f 2 5 】，标志着其工业应用的开始。1 9 7 8 年，g a b r i e l ：司对螺 旋槽非接触机械密封的基本问题进行了较全面的分析研究。之后相继有学者在不同工况 下，对螺旋槽干气密封的稳态、动态性能做了分析2 2 2 7 。3 5 1 。徐万福3 6 1 结合现场应用的技 术分析指出单列螺旋槽在低转速、密封压差存在波动等不利于流体动力润滑稳定的工况 下是最优秀的干气密封型槽。彭旭东p 7 j 针对现场使用的带内环槽的螺旋槽干式气体端面 3 第1 章绪论 密封，在只考虑静压效应的条件下计算其密封性能并与典型螺旋槽干气密封进行比较， 发现前者具有更好的稳定性、润滑性能和开启特性。 随着研究的不断深入，有关螺旋槽干气密封的理论日益完善，但是，螺旋槽干气密 封既不适合双向旋转，而且在低速低压或( 超) 高速高压条件下的适应能力并非预期的 强，因此越来越多的学者针对其它型槽展开研究。对于端面上开有矩形浅槽、径向槽、 圆弧槽等以及周向组合型槽的干气密封，研究发现 3 8 枷】：这些型槽可以实现双向旋转， 只是其动压开启能力较螺旋槽差一些。s e d y 【4 1 的“带角向槽和环形槽的端面密封”应用 于离心气体压缩机中，使操作条件范围更宽。为解决高速工况下热变形对密封性能影响 以及单向槽对旋转方向的限制，j o h nc r a n e 公司从2 0 世纪8 0 年代后期就开始研制双向 转动的干气密封，9 0 年代初推出了可双向旋转枞树型槽干气密封 5 , 4 2 】。与此同时， f l o w s e r v e 公司推出了t 型槽d g s h 3 - 4 4 ，b u r g m a n n 公司推出了u 型槽d g s t 4 5 】；在国内， 王玉明院士也发明了“王字槽等可双向旋转的型槽，并获得了美国专利【6 】，如图1 2 所示。冷晓静【4 6 1 、王和j l 顶 4 7 1 和陈秀琴【4 8 】相继开展了双向旋转型槽d g s 的理论研究。 d 1 ，l i 广、 c 厂、3 cl 一 r 、 ( a ) t 型槽( b ) u 型槽 ( c ) “王”字槽 图1 2 双向旋转气体密封端面结构示意图 然而对于可双向旋转的d g s ，其端面结构对称，由于反向槽的存在必然降低了动 压效应与气膜承载力。试验和实际应用表明 4 9 1 ，t 型槽与u 型槽的适用范围较窄，只 适合高速工况，对于中低速及开启停车工况，动压效应较小，密封性能较差。对于“王 字槽，由于加工较为复杂且要求精度高，目前尚未投入实际生产运用中。而双向旋转枞 树型槽由于其独特的端面结构，利用尖端增压原理有效地弥补了由于双向旋转造成的增 压区数量减少、动压效应减弱等问题。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 枞树型槽端面干气密封研究现状 j o h nc r a n e 公司【5 0 - 5 3 自从2 0 世纪8 0 年代后期就开始研制可适用于双向旋转工况的 气体密封，其重心主要在于如何优化设计出具有最佳几何结构的双旋向型槽。该公司陆 续设计出5 0 多种不同形状的型槽，并利用多参数试验台和自行研制的间隙测量系统， 分别对不同型槽所产生的端面压力分布、负载能力、泄漏特性、温度分布以及密封间隙 等进行有限元分析和试验检测等。结果发现：大多数可双向旋转的型槽均限制了气膜产 生的负载能力，使得端面间隙过小，温升较高，导致系统的压力波动或转子扰动很容易 就引起密封端面的接触。 造成上述结果的原因是：由于为了实现双向旋转的功能，端面小槽必须对称设置， 这样不仅有反向槽的存在产生减压区，更加减少了正向槽的数量使得增压区的范围缩 小，从而减小了气膜的负载能力。为了解决该问题，参照各种端面型槽的对比结果，j o h n c r a n e 公司于1 9 9 2 年推出一种新型可双向旋转端面密封【5 】，其基本型槽如图1 1 所示。 该发明的核心技术在于动压槽的几何形状，此端面型槽突出的特点是： ( 1 ) 将每个区段中的单槽变为双槽，增加了增压区的数量； ( 2 ) 将螺旋槽用三角形形状的型槽代替，充分利用了其尖端增压的原理。 j o h nc r a n e 公司已将此种密封命名为2 8 b d 型气体密封。如今，该类型气体密封已 成功地应用于俄罗斯、伊朗等国的高速压缩机上 5 4 1 ，且在国内也有相关应用。 双向旋转枞树型槽干气密封f d g s 由于反向槽的存在，使得其气膜承载能力、气 膜刚度等密封性能均较典型螺旋槽而言有明显的降低，为了解决该问题，j o h nc r a n e 公 司提出了加深供气槽的方案，即保证枞树型槽与供气槽分别均为等深槽的前提下，使供 气槽的槽深大于枞树型槽的槽深，经试验验证，改进后的f d g s 在承载能力、气膜刚 度以及最小气膜厚度等方面较改进前都有明显提高。 目前，国内外尚未见关于f d g s 具体端面几何结构参数的公开报道，而王玉明院 士发明的可双向旋转的螺旋槽即“王”字槽端面密封装置与枞树型槽端面结构较为相似， 可为其结构的定义提供参考依据。图1 3 所示为“王”字槽端面几何结构参数的粗略定 义，该项专利中指出【5 5 】：供气槽e 的深度为3 - 5 0 9 m ，最佳值为5 1 5 1 上m ，其宽度为 0 3 3 m m ，最佳值为0 5 1 5 m m ，供气槽的两个侧壁由两条不平行的射线构成，彼此之 间的距离为s l 、昆且s l 趣，或者供气槽的两个侧壁由两条平行射线构成，两平行射线 之间的距离s 1 = $ 2 供气槽左右两侧的螺旋槽对称分布，且左右两侧螺旋角的绝对值相 等方向相反，螺旋角的绝对值i a l _ 5 0 3 0 。，最佳范围为1 0 0 2 0 。，另外供气槽左右两侧的 s 第1 章绪论 螺旋槽也可呈不对称结构分布；每个螺旋槽组在圆周方向所占的角度为，两组螺旋槽 之间未开槽的部分在圆周方向所占角度为y ，r = o 5 5 ，最佳范围1 2 ；周期性个数为 3 3 0 个，最佳范围为4 2 0 个；槽区所占径向宽度为彳，坝区所占径向宽度为b ， a 8 = o 5 5 ，最佳范围1 3 ；每个螺旋槽的径向宽度与未开槽的台的径向宽度之比， g r = o 5 2 ，最佳范围为0 8 1 2 ，各列槽之间的径向宽度比，g l g f f 9 3 = l 1 l ：每个螺旋 槽的深度范围为2 2 0 m ，最佳范围3 1 0 p m ，全部螺旋槽可以为等深槽也可以为不等 深槽，例如，沿径向从外径处到内径处槽深逐渐变浅，同时在圆周方向上每个螺旋槽的 深度也可以是变化的，即从进气槽开始向两侧螺旋槽槽根处逐渐变浅；假设图1 3 所示 的箭头所指为正向旋转方向，则声。区域内的螺旋槽为主槽，皮区域内的螺旋槽为副槽， 可将主槽与副槽呈非对称设计，即主槽的深度按额定转速设计为最佳值，副槽则设计得 较浅些，并且令局榍，这样设计的好处是：旋转机械按正向旋转方向工作时，主槽工 作在最佳状态下，此时副槽的干扰较小，在动、静环密封端面间有连续稳定的流体薄膜， 而当设备发生反转时，由于通常逆向转速低于正向转速，这时流体膜的厚度较小，因此 深度较小的副槽也能工作在最佳状态下，同样在动、静环密封端面间能够形成连续稳定 的流体薄膜。综上所述，本发明最大的特点是能够实现双向旋转，无论正转或反转，该 密封装置都可以在动静环密封端而之间形成连续稳定的流体薄膜，而且流体薄膜的承载 能力和刚度均较大，有效地满足双向旋转的需求。本发明适用于各种压缩机、泵、反应 釜搅拌器等旋转机械的轴端密封，特别是可双向旋转的干式气体密封。 图1 3“王”字槽端面几何结构参数示意图 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 - 4 存在的问题 目前，针对螺旋槽干气密封的研究已经比较完善，应用范围也较广范，但是并不适 用高速等极端工况以及双向旋转的场合。对于t 型槽等型槽端面干气密封，也有相关的 研究，但由于其型槽的限制在开启停车时动压效应较差。而动压效应较好的双向旋转枞 树型槽，目前关于其密封规律和设计方法尚缺少系统的研究，影响了进一步的工程应用， 因此需要开展关于f d g s 的研究。主要存在的疑惑如下； ( 1 ) 由发明叙述摘录来讲，f d g s 较其它可双向旋转的干气密封有更好的动压效 应，但其理论分析尚不完善，动压型槽的工作机理尚不清楚。 ( 2 ) 在高参数及特殊工况下，端面型槽的几何结构参数对密封性能的影响规律 尚不清楚；型槽的设计方法仍不理想，缺乏理论指导。 为了解决上述问题，本论文拟展开f d g s 的性能研究，包括对f d g s 动压效 应、密封性能以及型槽特点等的研究，本论文研究成果将为工程解决双向旋转枞树型 槽在不同工况下的设计选型、提高密封稳定性与可靠性提供理论依据，进一步满足大型 机械设备对于轴端密封高可靠性和高稳定性以及可双向旋转等的要求，具有重要的理论 意义和工程应用价值。 1 3 研究内容 ( 1 ) 建立f - d g s 的数学分析模型 基于气体润滑理论，建立f d g s 的数学分析模型，主要包括：针对二维可压缩雷 诺方程，建立f d g s 的参数体系；建立f d g s 的数学分析模型，并研究该数学模型的 求解方法。 ( 2 ) 建立f d g s 的几何模型 鉴于枞树型槽结构复杂，参照专利给出的端面结构以及相似型槽的几何结构参数范 围定义出f d g s 的端面几何结构参数，建立f d g s 几何模型，为后续开展的结构分析 和参数优化提供基础依据。 ( 3 ) f d g s 的动压效应分析 通过与典型螺旋槽干气密封的动压效应进行比较，对比分析端面气膜压力分布、开 启能力、稳定性、泄漏率等特性，以及操作参数对动压效应的影响等方面因素，探讨 f d g s 的动压效应。 7 第1 章绪论 ( 4 ) f d g s 的密封性能分析 在给定操作条件下，分别研究7 种不同端面型槽结构f d g s 密封性能的变化规律； 在给定几何结构参数条件下，分别研究4 种不同操作工况对f d g s 密封性能的影响规 律，在此基础上，提出f d g s 在不同操作工况下型槽优化的取值范围。 ( 5 ) f d g s 的型槽特点分析 研究f d g s 的型槽特点，包括径向不同型槽列数、径向非对称型槽和周向非对称 型槽等对f d g s 性能的影响，分析不同型槽结构特征随着转速的变化趋势，总结各型 槽特点及其对密封性能的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章双向旋转枞树型槽千气密封的建模与数值求解 干气密封由于具有节能、环保、寿命长、可靠性高等优点，近年来已广泛应用于石 油天然气、化工和航空航天等重要的工业行业，其中以螺旋槽干气密封为典型代表但其 只适用于单向旋转的工况，为了满足双向旋转工况条件对干气密封的使用要求，j 0 h n c r a n e 公司推出了双向旋转枞树型槽端面结构的干气密封，但是由于f d g s 的端面枞 树型槽结构比较复杂，关于其几何结构参数的定义及相关设计理论研究并无相关公开报 道，这给研究枞树型槽的结构特点，开展f d g s 的优化设计与故障分析带来了不便。 因此，本章针对f d g s ，通过建立几何模型，定义几何结构参数，基于气体润滑理论 建立数学模型，采用有限单元法并利用m a t l a b 软件编程进行数值求解计算，并验证 计算程序的可靠性，为后续进行密封性能及型槽特点的研究提供依据。 2 1 计算模型 2 1 1几何模型 图2 1 ( a ) 所示为f d g s 的端面结构示意图，其主要特点是在密封端面圆周方向 上均匀分布“枞树型”浅槽组，每个槽组包括径向的供气槽以及在供气槽左、右两侧分 布的枞树型槽，枞树型槽在半径方向上至少有两列，每两列之间是不开槽的台区，该结 构能够保证f d g s 较好地适应双向旋转工况。 捆 _ _ 、 ( a ) f d g s 端面结构示意图 图2 1 y 桫k ( b ) 计算区域图 f - d g s 端面几何模型 9 第2 章双向旋转枞树型槽干气密封的建模与数值求解 基于图2 1 ( a ) 所示开槽端面上型槽沿圆周方向分布的对称性，为简单起见，计 算时取其中一个周期性结构作为计算单元，如图2 1 ( b ) 所示，枞树型槽的型槽线为 对数螺旋线：产学伊口，表2 - 1 给出了f - d g s 端面的几何结构特征参数。 2 1 2 数学模型 二维可压缩流雷诺方程在柱坐标系的基本形式为【2 4 】： ! 旦( 丛鱼) + 旦( 丝鱼) ：一u o a ( p h ) + r 塑坠+ 望 ( 2 1 ) ，0 0 、1 2 a0 0 7 o r 、1 2 , o r 2a 0a t0 t 为了简化计算并保持一定的精度，基于流体力学基本理论同时考虑密封环的结构， 作出如下假设： ( 1 ) 密封端面间隙虽然很小，但间隙内的流体仍视为连续介质； ( 2 ) 端面间流体为牛顿粘性流体，且流动方式为层流，气膜中没有漩涡； ( 3 ) 与表面力相比，忽略气体惯性力和离心力的影响； ( 4 ) 视气体流动为等温过程，忽略温度和压力对气体粘度的影响； ( 5 ) 忽略滑移流、粗糙度以及密封端面变形的影响。 式2 1 可简化成： 品( 嘉) + r 昙( 咖3 争= 6 u c o r 2 1 a ( p 矿h ) ( 2 - 2 ) 表2 - 1f d g s 端面几何结构参数 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 3 变分方程的建立 由于普通的雷诺方程不能直接进行求解，需要建立变分方程转化成与之相应的泛函 方可求解，为了方便变分方程的建立，对式( 2 2 ) 进行无量纲化变形： 去斋( 朋3 参+ 志( 删3 蓑) = 以1 8 ( p 矿h ) ( 2 - 3 ) 定义n 为密封端面内半径，p i 为内径处( 低压侧) 压力，h o 为密封间隙，肛为气体动力 粘度，t o 为旋转环角速度，则( 2 3 ) 式中无量纲变量的表达为：无量纲半径r = r n ，无 量纲膜厚：胆办 o ；无量纲压力：p = p p i ：压缩数：a = 6 a 凹( p - h 0 2 ) 。 本文采用伽辽金方法对( 2 3 ) 式建立变分方程，伽辽金基本方程为 5 6 5 7 】： f f e 6 p r d r d0：0(2-4) 名 式中：s 为余量，铲为气膜无量纲压力的变分，q 为解域。取满足条件的压力近似解尸， 则余量为： e = 南( 朋3 孑+ 志( r p h 3 爿a p a 3 ( 矿p h ) ( 2 5 ) 将余量玳入式( 2 - 4 ) 得： g 岛c 册3 劳8 t + 志c 删3 甜8 1 一 警) 一班。 沼6 ， 用格林公式对上式进行分部积分得： 班朋3 暖筹+ 篆等) 一2 脚等卜删 协7 ， 由于枞树型槽的型槽线为螺旋线，为了将曲线边界变为直线，便于进行有限单元网 格的划分，引入参数v = l n r ，则d r = e v d y ，实现坐标变换，则变分方程可化为： g h 3 ( c 3 万p 2 等+ 等刳屹2 y 脚等卜= 。 沼8 ， 2 1 4 变分方程的离散 由于枞树型槽端面结构较为复杂，针对一个计算区域，本文采用t a r g e t 2 自动划分 网格工具对解域q 进行网格划分，划分结果如图2 - 2 所示，则式( 2 8 ) 对整个解域q 的 积分可以转化成对每个单元格的积分之和： 鲥日3f ，竺8 0 巡c a o + 万8 p ：百o ( s p ) ) 也2 r 删警卜= 。 9 ， 第2 章双向旋转枞树型槽干气密封的建模与数值求解 图2 - 2 网格划分示意图 对于任何一个网格单元( 本文采用三角形单元) ，其任意一点的变量可由单元顶点 的定值来表示： p 2 p 8 p = ，只2 f = i = ，只 i = 1 = ，犯 ，= l 其中为形函数，对于三角形单元而言，的表达式为【5 8 】： m = 击( + k 日+ y ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中m 表示三角形单元的三个节点。 将( 2 1 0 ) 代入( 2 - 9 ) ，并考虑到锄的任意性，则保证除, s p j 项其余各项均为0 ， 得到下列离散后的总体雷诺方程： 窆 兰兰l ( “) 只：+ b ( “珥】 ：o e = l i f = lj = l l 其中： ( 2 - 1 2 ) 郇= g 以面o n , 丽o x , + 雾雾) d 倔臼 ( 2 - 1 3 ) 聊) - - 垆删等删 1 2 ( 2 1 4 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 5 边界条件 上文提到求解压力近似解p 时需要满足的条件包括周期性边界条件以及强制性边 界条件。 周期性边界条件： p ( o + 2 r d n g ) = p ( 口) ( 2 - 15 ) 强制性边界条件： i l p 侥：风屁 r = l ( 2 1 6 ) r = r = 厂i 其中，p o 为外径处( 密封介质或封气) 的压力，m p a 。 对于周期性边界条件的解除本文采用l a g r a n g e 乘子法【5 9 】，对于强制性边界条件的 解除本文采用消行修正法酏1 。 2 。1 6 密封性能参数 由于计算区域的网格由软件自动划分生成，并不规则，因此采用h a m m e r 积分法【6 1 1 求解单元刚度矩阵；所得到的压力方程为一组非线性方程，再采用n e w t o n - r a p h s o n 迭 代法【6 2 1 对其进行求解，计算出压力分布后进而求得开启力r 、泄漏率q 、气膜刚度砭、 刚漏比，等密封性能参数，表达式如下 2 3 , 6 3 - 6 4 ： ( 1 ) 开启力r 开启力由端面气膜的压力场积分得到： c = p i r i 2 g j = - j 。r op r d r d o ( 2 - 1 7 ) ( 2 ) 泄漏率q q = 黠志( r ”