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低速螺旋槽端面气膜密封动态特性研究

金兴乾  
【摘要】: 端面气膜润滑机械密封又称干气密封,由于其具有优良的密封性能,在离心式压缩机等高速旋转设备上获得了非常广泛地应用,其中以端面开螺旋槽的应用最为广泛。目前螺旋槽端面气膜机械密封的应用已拓展到泵、反应釜等低速运转设备,但应用并不广泛,其中一个重要原因是其低速运转性能并没有完全被掌握,尤其是其动态性能。螺旋槽端面气膜密封低速运转时容易出现运行不稳定、端面接触等现象,可能导致磨损量增大而失效。低速干气密封往往会出现早期失效或随机失效。目前针对低速螺旋槽端面气膜机械密封的性能研究,尤其是动态性能研究方面的资料十分缺乏。本文针对低速螺旋槽端面气膜机械密封的动态特性进行全面而系统的分析研究和讨论,获得了端面螺旋槽几何参数和操作参数对密封动态特性的影响规律。 端面气膜机械密封在低速运转时属于薄膜或超薄膜气体润滑的范畴,必须考虑滑移流的影响。本文通过求解修正的雷诺方程,选择确定了适合低速干气密封动态特性的气膜控制方程,并结合密封系统运动方程确立了密封动态特性的数学模型。在此基础上,采用限单元法对气膜控制方程和系统运动方程进行了联立求解,运用VC++语言编制了计算程序,用该计算程序对系统的特性参数进行了全时域描述。 螺旋槽端面气膜密封的动态性能与动环转动的角加速度有密切关系。以启动阶段为例,如果角加速度值比较小,启动时间就比较长,密封动态性能参数变化就比较平缓。本论文研究对象的启动阶段总时间为1s;稳定运行转速为3600 r/min。停车阶段参数的变化规律与启动阶段互逆。 密封的启动阶段可分为两个不同阶段:(1)启动到端面分离阶段;(2)端面分离到稳定运行阶段。(1)启动到端面分离阶段的过程时间非常短,大约持续了55ms,此时转速达到200 r/min,膜厚从3.5σ_s增加到5σ_s,σ_s为端面粗糙度平均值。端面接触力f_c的值急剧下降,此时摩擦扭矩T_q主要由端面间接触力f_c摩擦产生,所以其值也迅速下降到接近O,存在摩擦力仅为气膜的内摩擦力;气膜功率损耗W则随着转速的增加而增大;泄漏量Q随着膜厚增加而缓慢增加。(2)端面分离到稳定运行阶段。端面完全分离后,端面接触力f_c的值降为0,此时,摩擦扭矩T_q由气膜的内摩擦力产生,随着转速的增加而增大;泄漏量Q随着膜厚的增加而不断增大。气膜厚度逐渐上升最终达到稳定值2.21μm。研究表明,当几何参数(16~0≤α≤20~0,2.5μm≤h_g≤3μm,10≤N_g≤30等)时,密封具有比较好的动态特性,操作参数对密封的动态特性也产生了很大的影响。


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