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螺旋槽干气密封中低压热动力润滑特性研究

马春红  
【摘要】:干气密封依靠微米厚度气膜实现两端面的非接触运行,随着干气密封技术向低压、高速等领域的不断拓展应用,速度剪切热和泄漏膨胀吸热导致的密封气膜热动力润滑问题日益突出。本文主要开展了螺旋槽干气密封低压热动力润滑特性的理论与实验研究工作。首先,建立气体端面密封热动力润滑分析的理论分析模型。针对典型单端面螺旋槽干气密封结构,定义了螺旋槽密封端面几何参数,建立了几何模型,确定了几何边界条件;考虑气体粘度特性、高速气流特性、气膜温度变化以及端面变形,建立了螺旋槽干气密封热动力润滑数学分析模型,确定了密封压力边界条件、温度边界条件以及变形约束条件。其次,对螺旋槽干气密封的等温润滑特性进行数值分析,重点研究了气体粘度效应和高速流阻塞效应对密封气膜压力分布和密封特性参数的影响规律,讨论了端面螺旋槽几何参数的优化取值范围。数值分析结果表明,当密封压力低于3MPa,以空气(或氮气)作为密封介质时,可忽略气体粘度效应对密封性能的影响;入口压力损失导致密封入口压力降低,阻塞效应导致出口压力增加;当密封间隙为3μm,密封压力高于2MPa时阻塞效应不可忽略,密封压力和密封间隙越大,阻塞效应越明显。然后,对螺旋槽干气密封的热动力润滑特性进行数值分析,重点研究了端面型槽结构对气膜温度分布和端面热变形的影响规律,探讨了端面热变形的产生机理。数值分析结果表明,端面间气膜温度分布主要与密封压力和密封间隙变化产生的气体膨胀有关,并受密封转速产生的气流剪切影响;气膜温度变化导致端面热变形的产生,端面间形成发散间隙,使开启力降低,泄漏率增大。当最小密封间隙为3.5μm,密封压力为2MPa,密封转速为20000r/min,考虑端面热变形,开启力降低约9%,泄漏率增加100%。最后,初步开展了螺旋槽干气密封低压工况实验研究,重点分析了不同转速、不同压力和槽根半径条件下的温度分布和泄漏率的变化规律。实验结果表明,在静压工况下,由外径到内径处,端面温度降低;随密封压力的增大,端面温度呈降低的趋势。随转速增大,端面温度呈增加的趋势;随时间的增加,静压工况下,气体温度逐渐降低;有转速时,端面温度逐渐升高并趋于稳定。论文基于螺旋槽干气密封热动力润滑分析数学模型,研究获得了中低压工况下气体热效应和端面热变形对螺旋槽干气密封特性的影响规律和作用机理,为干气密封端面的变形控制设计提供了理论依据,对于拓展干气密封的应用领域具有重要的工程应用意义。


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