双列倾斜椭圆微孔端面气体密封性能的理论与实验研究

论文摘要

倾斜微孔密封端面具有较强的气体动压润滑效应,但同时泄漏率也较大。为进一步提高倾斜微孔端面的气体密封性能,本论文对双列倾斜椭圆微孔端面气体密封的动压特性和密封特性进行了理论和实验研究。首先,基于气体润滑理论,建立了双列倾斜椭圆微孔端面气体密封的数学模型,定义了端面微孔的几何参数和密封性能参数,并讨论了利用有限差分方法求解所建模型的可行性。结果表明,论文所采用有限差分方法可保证开启力、泄漏率数值计算结果的合理性。其次,开展了双列倾斜椭圆微孔密封端面动压效应研究,分析了操作参数对倾斜微孔密封端面动压效应的影响,探讨了双列倾斜微孔结构产生动压效应的机理,并进行了双列和单列倾斜微孔密封端面动压效应的对比实验研究。结果表明,双列倾斜椭圆微孔端面可产生明显的动压效应,其下游反向微孔可使其动压性能明显优于单列倾斜椭圆微孔端面。最后,开展了双列倾斜椭圆微孔端面密封性能研究,采用数值计算的方法分析了操作参数和几何参数对双列倾斜椭圆微孔端面气体密封开启力和泄漏率的影响规律,提出了基于密封平衡比的微孔端面气体润滑设计方法,并开展了双列倾斜椭圆微孔端面密封性能实验。结果表明,双列倾斜椭圆微孔端面下游微孔的“上游泵送”作用可以显著提高端面动压开启能力、减小端面气体泄漏率,进一步提高了倾斜微孔端面气体密封的密封性能。论文通过理论和实验的对比研究,提出了增强方向性微孔端面气体密封性能的双列倾斜微孔密封端面设计方法,完善了微孔端面气体密封的设计理论,研究结果可为微孔端面气体密封的工程应用提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 干气密封概述
• 1.3 微孔端面机械密封的研究现状
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 存在问题
• 1.4 本课题的研究意义与研究内容
• 1.4.1 本课题的研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 双列倾斜微孔气体密封的理论模型
• 2.1 双列倾斜微孔端面气体密封原理
• 2.2 双列倾斜微孔密封端面数学模型
• 2.2.1 密封端面几何参数定义
• 2.2.2 控制方程
• 2.2.3 控制方程无量纲化
• 2.2.4 动压性能和密封性能参数
• 2.3 密封端面气膜压力求解方法
• 2.3.1 计算区域网格划分
• 2.3.2 程序收敛性
• 2.3.3 差分网格密度
• 2.3.4 程序可靠性验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 实验装置与方法
• 3.1 实验装置
• 3.2 试件制备
• 3.2.1 密封环材料
• 3.2.2 端面微孔加工
• 3.3 本章小结
• 第4章 双列倾斜椭圆微孔端面动压效应研究
• 4.1 双列微孔动压理论
• 4.1.1 压力分布
• 4.1.2 “泵送效应”机理
• 4.2 动压效应数值分析
• 4.2.1 密封压力的影响
• 4.2.2 转速的影响
• 4.2.3 密封间隙的影响
• 4.3 动压效应实验
• 4.3.1 微孔端面无压开启实验
• 4.3.2 微孔端面有压开启实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 双列倾斜椭圆微孔端面气体密封特性理论研究
• 5.1 操作参数的影响
• 5.1.1 转速的影响
• 5.1.2 密封压力的影响
• 5.1.3 密封间隙的影响
• 5.2 几何参数的影响
• 5.2.1 微孔大小
• 5.2.2 微孔倾角
• 5.2.3 反向开孔比
• 5.2.4 径向开孔比
• 5.2.5 微孔深度
• 5.3 本章小结
• 第6章 倾斜微孔端面气体密封特性实验
• 6.1 多孔端面气体润滑设计
• 6.1.1 平衡比
• 6.1.2 端面微孔结构
• 6.2 密封性能实验
• 6.2.1 微孔分布的影响
• 6.2.2 转速的影响
• 6.2.3 密封压力的影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要完成的工作和结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果