高速螺旋槽干气密封动态性能理论与实验研究

发布时间：2020-06-20 15:28

【摘要】：干气密封已在石油石化和能源电力行业中的中、高速旋转机械与设备的轴端密封中得到广泛应用,但是,随着这些行业中旋转机械与设备向高参数工况的发展,以及干气密封逐渐推广到煤化工、超临界二氧化碳发电等领域,干气密封的使用情况并不尽人意,特别是随着速度的进一步提高,转轴轴向振动加剧,加之密封环不可避免的安装偏差,且目前干气密封普遍还存在抗扰动能力不足的问题,使得干气密封在工程实际应用中常因端面碰磨或密封环撞碎而失效。可见,研究并开发高速下动态性能优异的干气密封并形成一套高速干气密封动态性能优化设计理论和方法,对提高高速干气密封动态运行稳定性和使用寿命、保障我国重要领域关键设备可靠性和安全性具有重大的工程实际价值和战略意义。基于气体润滑和动力学相关理论,通过小扰动法推导建立了考虑轴向和角向总共三个自由度微扰作用下的干气密封微扰膜压控制方程组,利用有限差分法求解并进行了程序正确性验证。在高速高压条件下,分析了工况参数及外界激励情况对螺旋槽干气密封气膜动态特性系数的影响规律,研究了高速且不同介质压力条件下螺旋槽结构参数对干气密封气膜动态特性系数的影响规律,初步揭示了气膜动态特性的影响因素及变化规律,为后续螺旋槽干气密封动态性能的深入研究奠定了理论基础。基于运动学理论,考虑动环轴向振动和角向安装偏差,建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚扰动分布以及最大膜厚扰动量的瞬态变化规律,在此基础上求解瞬态雷诺方程,分析了膜压瞬态分布以及开启力和泄漏率的瞬态变化规律,重点分析了工况参数和外界激励等外部因素对动态追随性和瞬态密封性能的影响规律,揭示了干气密封的瞬态运行机理。考虑到力学系统结构对干气密封动态性能影响的重要性,以静环挠性安装螺旋槽干气密封为对象,重点分析了弹簧刚度、辅助密封圈阻尼、静环密度及静环特征尺寸等密封力学系统内部因素对干气密封动态追随性的影响;同时,针对工程中应用较为广泛的三种密封环挠性安装形式的干气密封结构,在同一对比基准下,建立三者运动学理论分析模型并通过解析法进行求解,最终对三种结构干气密封膜厚扰动情况进行对比分析,从而更为系统地掌握了不同挠性环安装形式的干气密封动态性能优劣情况及其相应的优化设计方法。在掌握干气密封动态运行机理和性能演变规律的前提下开展系统的优化设计研究。在大量算例基础上,总结出了四种典型的膜厚扰动型态以及对应振型的发生条件,定义膜厚扰动周期峰和突变峰为干气密封动态追随性的表征参数并以此作为优化目标函数,基于控制变量法和完全析因设计法,在给定的优化原则下研究了螺旋槽结构参数和力学元件特性参数的优化取值范围及各影响参数之间的交互作用规律。同时,借助超椭圆曲线良好的覆盖特性,提出了超椭圆曲线槽干气密封,在与螺旋槽相同结构参数条件下,通过调整超椭圆系数来优化型槽型线可使超椭圆曲线槽干气密封相比螺旋槽干气密封动态性能显著提升。为进一步验证理论研究结论,同时为干气密封动力学工程设计提供一定的实验参考依据,自主设计并搭建了干气密封动力学实验台架,针对静环挠性安装形式的螺旋槽干气密封,在不同膜厚条件下实验研究了干气密封的开启过程,在此基础上进一步研究了槽深、弹簧刚度和挠性环质量对螺旋槽干气密封膜厚扰动及泄漏率的影响并与理论研究进行对比。结果表明,实验结果较好的验证了理论研究的相关结论。实验和理论相关研究成果基本形成了一套高速干气密封力学系统动态性能优化设计理论与指导方法。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB42
【图文】：

端面磨损,密封环

[3]。GS 虽然没有成功应用于航空发动机，但在研究的过程中积累了大量的设计特别是 DGS 具有零磨损、低泄漏、低功耗、长寿命等显著优势，这使得 70 年代中期就陆续在工况不那么苛刻的旋转机械上成功获得推广应用，等。近年来，随着石化、能源及输运等领域的快速发展，要求旋转机械向高速、高压等）发展，且在石化等行业，很多工艺气体都具有易燃、易爆，一旦密封失效，泄漏的介质不仅会影响工作人员身体健康、污染环境，火灾、爆炸等重大安全事故，造成巨大损失，因此需要对 DGS 的密封性以及可靠性提出更高的要求[4~6]。高参数条件下，特别是在高速条件下，转轴振动剧烈，加之密封环不可避等因素的影响，往往会引起 DGS 端面气膜失稳，从而造成密封环偏磨、进而导致密封失效。近年来，多家石油石化及制药化工企业高速离心压缩10]，不仅对机组安全运行带来威胁，同时给公司造成巨大的经济损失，而封环端面有严重磨痕或密封环碎裂（见图 1-1），分析认为机组振动过大、定性不足是引发事故的重要原因之一。由此可见，DGS 动力学问题不容

典型结构

第 1 章绪论典型结构介绍典型结构及运行原理过弹性元件对动、静环端面密封副实现预紧，工程中高性元件受离心力的影响，多采用如图 1-2 所示的弹簧静止型 DGS 而言，DGS 是利用开槽技术实现密封端面非接，被泵入的气体在端面型槽的迎风侧和槽根处挤压产生形成微米级厚度的气膜，在 DGS 动力学分析中，通常尼的弹簧-阻尼系统。

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