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低速气膜密封动态特性数值分析

张敏芳  
【摘要】: 气体润滑非接触式机械密封(简称气膜密封)具有泄漏量少、磨损小、寿命长、能耗低、密封性能好、维护费用低等优点,已经广泛应用于离心压缩机等高速旋转流体机械。目前应用已拓展到搅拌机、反应釜等低速旋转机械。实际应用中,不可避免地会出现密封失效。造成失效的原因很多,但通常都是密封动态性能较差的缘故,因此有必要对低速气膜密封的动态特性进行研究。 本文提出一种同时考虑低速气膜密封端面径向锥度、周向波度、静环静态角偏差以及各向同性端面粗糙度的理论模型。借助自行开发的有限元程序求解修正的稳态雷诺方程,得到了端面气膜压力分布,计算了开启力、泄漏率、稳态气膜刚度系数、摩擦系数等稳态特性参数。利用小扰动法及有限单元法计算了密封平衡位置处气膜线性化的刚度系数和阻尼系数。采用解析法和Newmark算法分别研究了低速气膜密封的稳态响应。分析了各个参数对低速气膜密封稳态特性、动态特性和稳态响应的影响规律。稳态分析表明,密封端面径向锥度、周向波度、静环静态角偏差和端面粗糙度改变了密封端面周向的压力分布和径向的压力梯度,对其稳态特性产生重要影响。密封在加工制造、安装时造成的过大的静环静态角偏差会导致密封由于过度泄漏或者端面发生接触而最终失效。动态分析表明,过大的静环静态角偏差和负锥度会使气膜阻尼系数出现负值,从而使微扰运动不断扩散。稳态响应分析表明,减小膜厚可以减小密封环的运动轨迹,减小动环进动角和角偏差的波动幅值。工程实际中,在不改变其它条件下,通过调节膜厚可以使密封端面避免接触,密封保持安全、稳定运行。


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