干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 符号注释表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究历史与现状
• 1.2.1 理论和实验研究
• 1.2.2 干气密封产品的设计、开发和应用
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 课题来源与主要研究工作
• 1.4 课题的创新点和关键性问题
• 第2章 螺旋槽干气密封的基本理论
• 2.1 流体动压润滑理论
• 2.1.1 密封面加工槽的动压效应
• 2.1.2 密封间隙内气膜流动状态
• 2.1.3 微尺度效应对螺旋槽干气密封流动场的影响
• 2.2 干气密封的工作原理、特点及应用
• 2.3 力学模型与受力分析
• 2.4 螺旋槽干气密封的结构、材料和参数
• 2.4.1 典型结构类型
• 2.4.2 主要零部件材料
• 2.4.3 槽形几何参数
• 2.4.4 密封性能参数
• 2.5 流体动压槽的加工方法和工艺
• 2.5.1 动压槽加工方法
• 2.5.2 激光加工工艺
• 第3章 干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定边值问题
• 3.1 干气密封气膜流场的计算方法
• 3.1.1 数值模拟法
• 3.1.2 近似解析法及其与数值计算法的比较
• 3.2 稳态微尺度流动场的动压近似计算
• 3.2.1 气体润滑稳定边值问题
• 3.2.2 边值问题的近似求解
• 3.2.3 动压实例计算与分析
• 3.3 稳态微尺度流动场的泄漏量和功耗计算
• 3.3.1 泄漏量计算和比较分析
• 3.3.2 功耗计算和比较分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 干气密封螺旋槽形参数的协调优化
• 4.1 多目标协调优化理论
• 4.1.1 多目标优化的定义
• 4.1.2 多目标优化方法
• 4.2 多目标协调函数-刚漏比的解析式
• 4.3 槽形参数的协调优化
• 4.3.1 最佳螺旋角和槽深比的计算
• 4.3.2 协调优化程序的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 干气密封螺旋槽润滑气膜的动态稳定性
• 5.1 气体润滑瞬态边值问题
• 5.1.1 微尺度效应的瞬态雷诺方程
• 5.1.2 无量纲柱坐标雷诺方程及边界条件、初始条件
• 5.1.3 一级近似瞬态边值问题
• 5.2 润滑气膜轴向微扰的稳定性分析
• 5.2.1 气膜轴向刚度计算
• 5.2.2 气膜轴向微扰的稳定性分析
• 5.3 润滑气膜角向涡动的稳定性分析
• 5.3.1 角向涡动刚度计算
• 5.3.2 气膜角向涡动的稳定性分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 螺旋槽干气密封特性参数的试验研究
• 6.1 干气密封试验装置
• 6.2 试验用的产品结构参数
• 6.3 干气密封试验测试技术
• 6.3.1 测试系统设计
• 6.3.2 特性参数的测试技术
• 6.4 特性参数的测定结果与分析
• 6.4.1 泄漏量测定
• 6.4.2 功耗测定
• 6.4.3 气膜轴向刚度测定
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文及成果目录
• 附录B 稳态微尺度流动场的动压计算程序
• 附录C 干气密封螺旋槽形参数的协调优化程序
• 附录D 干气密封润滑气膜的动态稳定性分析程序