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干气密封非线性动力稳定性分析及其响应优化

张伟政  
【摘要】:干气密封是一种新型的非接触式机械密封,它是现代流体动压润滑理论在密封技术领域的最新应用成果。由于密封间隙仅为3~5μm,极易受到外界干扰、结构参数等影响,极有可能导致动静密封环间的干摩擦或泄漏量增大,因而保证气膜动态稳定性是干气密封可靠运行的关键。气体端面密封的稳定性与其动力学特性密切相关,其动力学特性一直是国内外研究的技术难点。 干气密封系统本身是一非线性系统,其动力学特性应具有非线性,以螺旋槽干气密封为研究对象,对气体润滑气膜的非线性动力稳定性进行了研究。从轴向和角向两个方面来研究干气密封槽内气体的非线性动力学行为,目的是寻求密封螺旋角的稳定范围,对干气密封设计与优化具有重要的理论指导意义。 从N-S方程出发,基于微尺度流动中的滑移边界条件,推导了螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程。并应用PH线性化方法,将非线性偏微分方程转化为线性偏微分方程,再引入复函数将复常数偏微分方程又变为两个线性实常数微分方程组,并采用小参数迭代法进行求解,近似求得了螺旋槽内气体动压分布的解析解。继而可求出气体流速分布及泄漏量的大小,得到了轴向微扰下气膜反作用力的增量,再利用复数和迭代法对静态下气膜边值问题进行求解,获得了气膜轴向、角向刚度和阻尼的解析解,并通过对样机的分析,得到了轴向、角向刚度和阻尼随压力和转速变化的规律,为优化设计提供了依据。 建立了轴向振动下气膜—密封静环系统动力学模型,利用程序求解了轴向振动方程,获得了螺旋槽结构参数响应的振动相轨图、Poincare’映射图和时间历程图,进而分析了螺旋槽干气密封系统轴向非线性动力学行为。通过特例验证了模型的正确性,进而通过选择合理的螺旋槽结构参数可以控制混沌。以密封静环为振子建立了气膜—密封环流固耦合系统轴向振动的计算模型,进而利用龙格—库塔法求解了振动方程,获得了不同螺旋角和槽深响应的振动相轨图和时间历程图,并分析了螺旋角和槽深对振动位移的影响。通过实例得到了轴向动态响应优化的最佳值,和实验值基本一致,为干气密封优化设计奠定理论基础。 建立了角向振动下气膜—密封环系统的动力学模型,应用微扰法和龙格—库塔法求解气膜角向刚度、临界转动惯量和角向摆动的二维振动方程,获得了密封系统稳定时的密封结构参数范围,并分析了最佳稳定点和临界点振动响应。获得了密封系统稳定与失稳时的密封结构参数范围,并分析了最佳稳定点和临界点振动响应。最佳稳定点振动响应为准周期运动,而临界点振动响应发生了混沌运动。可通过该程序进行角向摆动分析,获得螺旋角的稳定范围,为干气密封的优化设计提供理论指导。 在成都一通密封有限公司的3000转/分密封试验台上对干气密封样机进行了试验研究。完成了气体端面密封试验台的测试系统的总体方案设计、测试系统的硬件配置。测试了泄漏量、功耗、气膜轴向刚度和密封环轴向振动位移,给出了气体端面密封试验的测试结果,并与理论计算近似值比较,进行误差分析。试验测出数值与计算结果较为吻合,表明所建立的螺旋槽干气密封气膜密封环系统的动力学和数学模型是正确的,所编制的近似计算程序是可行的。


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