螺旋槽干气密封测试系统及性能参数测定

论文摘要

螺旋槽干气密封被广泛应用于石化行业中，其运行的稳定性和可靠性是石化企业安全保障的关键。其动力学特性参数一直是国内外研究的热点，同时也是研究的难点。针对上述情况，本文针对影响螺旋槽干气密封端面参数为研究对象，包括：密封端面性能参数（气膜压力、摩擦扭矩、端面温度、转速、泄漏量、摩擦功耗）和密封端面稳定性参数（气膜厚度及动、静环振动位移量）。因为在国内外对振动方面的研究很少，且只停留在理论上，因此本文重点对密封环系统的振动进行测试研究，介绍参数的测试方法及对数据的处理。基于Labview测试系统软件开发平台，建立螺旋槽干气密封端面试验台，通过选取、安装特定的传感器、调理器、数据采集卡等相应的硬件设备，且采取特定的测试方法及必要的抗干扰措施对螺旋槽干气密封端面的性能参数和稳定性参数进行调试、校核、标定和测量。基于Labview测试系统软件编程的后处理程序对所测数据进行处理；对试验值与理论值进行比较分析。研究影响端面流场参数的因素，运行工况对密封参数的影响及提高密封性能的方法。本文主要对以下内容进行研究：本文采用FLUENT计算软件对流场参数进行模拟计算，为测量静环端面安装传感器开孔对流场气膜压力的影响因子，应用solidworks软件建立三维螺旋槽干气密封端面气膜模型，包括在动环槽底根径相对的静环端面开孔和不开孔的两种模型建模。在特定工况下，运用FLUENT软件对螺旋槽干气密封内部微尺度三维气体流场的两个模型以层流模式分别进行数值模拟，得到两种模型的泄漏量，得出理论值与试验值很接近，说明微尺度螺旋槽端面流场分析是可以用FLUENT来模拟计算的，从而推出模拟不同模型所对应的压力值也是准确的。计算出开孔安放传感器对端面的影响因子，对后期试验的压力测定或设备监测数值进行修整和求出真实数值具有实用价值。端面稳定性的研究计算，即气膜刚度的计算。本文对螺旋槽干气密封端面五种不同气膜厚度进行三维立体模型建模，在特定工况下，运用FLUENT软件对五种模型进行数值计算，分别求出压力分布和气膜推力，运用最小二乘法原理，得出开启力与气膜厚度的多项式；通过对气膜厚度进行求导，得出气膜刚度与气膜厚度的多项式。结果表明：气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小，且随着气膜厚度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳，为了使干气密封长期安全、稳定的工作，端面流场气膜应有足够大的刚度。端面性能参数的研究同样采用对螺旋槽干气密封端面微尺度三维流场气膜进行建模，运用FLUENT软件对三维流场模型以层流流动形式进行数值模拟计算，根据计算所得动压效果和径向流速，确定使端面产生气膜推力和泄漏量同时达到最优时的气膜厚度；在确定的气膜厚度下，求出不同介质压力和转速对端面泄漏量和功耗的影响。结果表明：当气膜厚度值在3-5μm时，使总体效果达到最好，当气膜厚度和压力确定时，泄漏量和功耗随着转速增加而增加，且成线性关系；当气膜厚度和转速确定时，泄漏量和功耗随着压力增加而增加，也成线性关系。由于干气密封动、静环密封间隙仅有3-5μm，因而其密封系统轴向振动稳定性的研究显得尤为重要。采用高精度改进型的电涡流微型传感器和Labview软件，并采用一系列的抗干扰措施，对干气密封气膜密封环系统的轴向振动进行测量，测量出气膜和动、静环轴向振动位移量和时域波形。通过改变不同压力和转速测量出三者的振动位移量，研究压力和转速对振动位移量的影响，并对测量出的时域波形进行频谱分析。试验研究表明：随着转速和介质压力的上升气膜厚度增大，动、静环和气膜振动位移量均有下降，这与转速和气压升高动压效应增大的机理是相吻合的；并且三者的振动频率均为工频，属于同频振动。动、静环相同位置的轴向振幅近似相同，静环追随动环特性较好。因而，欲使静环振动位移量减小，需保证动环端面的平面度和安装垂直度。

论文目录

• 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 国内外研究历史和现状形式
• 1.2.1 国外研究历史和现状
• 1.2.2 国内研究历史和现状
• 1.3 国内外密封系统振动研究现状
• 1.4 课题来源与主要研究工作
• 1.5 课题的创新点与关键性问题
• 第2章 基于 CFD 端面流场参数模拟计算
• 2.1 基于 CFD 的螺旋槽干气密封端面开孔流场分析
• 2.1.1 螺旋槽干气密封端面流场的边界条件
• 2.1.2 端面流场模拟数值求解
• 2.1.3 数值模拟计算结果与分析
• 2.1.4 小结
• 2.2 基于 CFD 螺旋槽干气密封端面流场分析
• 2.2.1 螺旋槽干气密封端面流场的边界条件
• 2.2.2 端面流场模拟数值求解
• 2.2.3 数值模拟计算结果与分析
• 2.2.4 转速和压力对泄漏量和功耗的影响
• 2.2.5 小结
• 2.3 螺旋槽干气密封气膜刚度的数值模拟分析
• 2.3.1 螺旋槽干气密封端面流场的边界条件
• 2.3.2 端面流场模拟数值求解
• 2.3.3 数值模拟计算结果与分析
• 2.3.4 小结
• 第3章 测试系统与试验测试
• 3.1 测试系统简介
• 3.1.1 气体端面密封试验台的概述
• 3.1.2 测试工况和测试参数
• 3.2 测试系统简介
• 3.2.1 测试系统的硬件简介
• 3.2.2 测试系统的软件设计简介
• 3.3 试验参数测试技术简介
• 3.3.1 干气密封相关参数的测试技术
• 3.3.2 数据采集卡的选取
• 3.3.3 测试系统中的抗干扰措施
• 3.4 测试内容简介
• 3.4.1 测试参数的工况条件
• 3.4.2 测试参数数据采集
• 3.4.3 信号调理
• 3.4.4 模拟通道的选择
• 3.4.5 信号的采集及输出
• 3.5 数据的后处理
• 第4章 试验值与理论值的分析与比较
• 4.1 干气密封系统性能参数的分析与比较
• 4.1.1 泄漏量试验值与理论值的比较
• 4.1.2 功耗试验值与理论值的比较
• 4.1.3 气膜端面流场最大压强试验值与理论值的比较
• 4.2 干气密封系统稳定性参数的分析研究
• 4.2.1 平均气膜厚度与气膜振动位移量的试验值与理论值的比较
• 4.2.2 静环振动试验值的研究
• 4.2.3 动环振动试验值研究
• 4.2.4 不同转速和不同压力下气膜刚度及稳定性分析
• 4.3 本章小节
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文