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干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究

丁雪兴  
【摘要】: 干气密封技术源于国外,我国的干气密封产品长期以来主要依赖进口,干气密封技术的研究以及产品的开发尚处于起步阶段,还未建立起一套完整的干气密封产品设计、开发以及制造体系.因此,开展气体润密封技术的研究对于提高我国密封技术的整体水平,具有重要的现实意义。 本文以螺旋槽干气密封为研究对象,对螺旋槽干气密封气体润滑膜的流动特性进行研究,从理论计算和实验验证两个方面来研究干气密封槽内气体的动力学特性,分析槽形几何参数对密封性能的影响及影响程度,目的是寻求密封性能最佳的端面结构参数,实现槽形参数的最佳组合。 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。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,与相应的实验数据对比,计算结果和实验结果基本符合,为干气密封的优化设计提供了参考。 利用多目标优化方法构建了气膜刚度与泄漏量之比的协调函数,并对该目标函数通过软件maple进行实例近似求解,获得了最佳的螺旋槽几何参数值。本文求出的刚漏比协调函数是一无量纲式,具有普遍适用性。利用该式可获得在不同工艺操作条件下的最佳螺旋槽几何参数值,为干气密封工程优化设计提供了可靠的理论依据。 应用PH线性化方法及变分运算干气密封螺旋槽内瞬态微尺度流动场的非线性雷诺方程,得到了气膜轴向刚度和角向涡动刚度的解析式。继而利用复数转换和迭代法对稳态下气膜边值问题进行求解,求得了气膜刚度的近似解析解。通过动态稳定性分析,获得了不同介质粘度、压力和转速下稳定性最佳的螺旋角数值。研究结果表明:随介质压力和转速增大,气膜刚度越大,稳定性越好。 在成都一通密封有限公司的18000转/分高速离心压缩机密封试验台上对串联式离心压缩机YTG-CTII型螺旋槽干气密封系统进行了试验研究。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、功耗和气膜轴向刚度,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,表明本文所建立的螺旋槽干气密封端面间气体流动过程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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