柱面螺旋槽气膜密封性能分析与试验研究
发布时间：2021-02-14 22:17
随着现代化工业的高速发展,旋转类机械设备广泛应用于化工和交通等众多生活领域,极大的提高了人们的日常生活质量。由于当下科学的发展趋势提倡人们对环境进行保护,实际工程应用中密封设备因工况参数愈发极端,作为旋转类机械的常用轴端密封已不能满足目前倡导趋势旋转类机械“零泄漏”的需求。但柱面螺旋槽气膜密封可适应低压、高速和高温等极端工况,且在工作过程中稳定性好、泄漏量少、服役寿命长等优良表现,成为旋转类机械轴端密封研究的新焦点,故柱面螺旋槽气膜密封系统的密封性能研究对提高轴端密封运转平稳性以及降低泄漏量具有重要意义。针对本课题所选的柱面螺旋槽气膜密封结构,在一系列的假设前提下,引进并推导了柱面螺旋槽气膜密封压力控制雷诺方程和气膜厚度控制方程,使用了Newton-Raphson迭代法和有限差分法,联合压力边界条件,耦合求解雷诺方程和气膜厚度方程。通过软件编程求解,发现柱面螺旋槽气膜密封的轴套上雕刻了一定数目的螺旋槽,可以提高密封装置的气膜浮升力和运转平稳性。计算结果表明:入口压力的增大、转速的提高以及槽数的增多对气膜浮升力的提高有益,但气膜厚度的变大和槽深的增大导致浮升力减小;泄漏量随转速的提高和槽...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柱面螺旋槽气膜密封装置主要部件展开结构示意图
工程硕士学位论文·3以清晰的看到柱面气膜密封装置主要由轴套、轴承、浮动环、定位销、密封支座、端盖等零部件构成。图1.2为气膜密封装置放大的螺旋槽示意图，在轴套的表面上通过打标机开设螺旋槽，电机转轴与开设微槽的轴套采用过盈配合同步进动。其中，柱面螺旋槽气膜密封在轴套外表面开设螺旋微槽后，密封系统运转时可增加了气膜的稳定性，降低旋转轴转动时发生的大幅度位移引起的轴套与浮环之间接触碰撞和接触干摩擦的概率。浮环通过压紧弹簧将浮环与端盖紧挨，在弹簧弹力的作用下，石墨浮环紧挨着端盖，防止了高压侧气体的径向泄漏。定位销保持了浮环与端盖稳定的装配关系，浮环在相对稳定的位置内进行浮动，降低了轴套与浮环擦碰的几率，增加了气膜密封装置的可靠性。图1.2密封装置的螺旋槽示意图1.2.2柱面螺旋槽气膜密封装置的工作原理可压缩气体薄膜密封形式是在某特定的工况参数下，密封装置内相互作用的两部件表面之间形成收敛的楔形微间隙，间隙内存在一层具有相当黏度的可压缩气体薄膜（微米级），当两相互作用表面之间做高速相对运动时，可压缩气体薄膜会在楔形微间隙内产生一定的载荷压力使两个界面之间达到动态平衡，从而将两相互作用表面之间完全相互隔开，不但使密封系统达到了高效密封，也起到了降低密封系统内部零件相互之间的表面磨损作用使整体密封装置服役寿命变长。而且可压缩气体薄膜还具有旋转机械设备起动阶段摩擦阻力孝能量消耗较少、自适应性能好、运动精度高等优点，有效的降低密封设备内部零件之间的相互磨损、提升工作效率以及提高密封系统的密封性能。在可压缩气体薄膜密封中，依据气体薄膜产生的机理不同，大致可以分为以下三类：气体动压密封、气体静压密封和气体挤压密封，三类气膜密封原理示意图如图
柱面螺旋槽气膜密封性能分析与试验研究4（a）气体动压密封（b）气体静压密封（c）气体挤压密封图1.3三类气膜密封原理示意图柱面螺旋槽气膜密封的工作原理类似于径向气浮轴承，属于第一类气膜动压密封。径向气浮轴承气膜形成简图如图1.4所示。O1为石墨浮环中心，O2为电机转轴轴心，R为石墨浮环内半径，r为转轴半径，φ为浮动环偏位角，ω为电机转轴转速，θ为周向坐标，L为气膜有效密封宽度。在柱面螺旋槽气膜密封装置的零部件装配过程中，为使轴套和浮环之间存在楔形微间隙，以便气体薄膜在收敛的间隙内更好的产生动压效应，将它们进行偏心结构安装。在密封装置实际运行的过程中，电机旋转轴带动开设微槽的轴套高速旋转时，轴套开设的螺旋槽和密封装置的偏心结构共同作用，介质气体由于高压差的存在和粘性剪切力的共同作用下泵入螺旋槽内产生动压效应，从气体入口处到螺旋槽槽根部气膜压力一直增加，最薄处气膜刚度迅速提高，从而起到良好的密封效果，实现轴向密封。密封支座和浮环之间为次泄漏通道，属于径向方向的泄漏。压紧弹簧的弹力，介质背压协同作用，令浮环与密封支座紧密贴合，保证周向密封。同时由于节流效应，在槽根处压力达到最大值，气膜承载力使浮环稳定浮起，让浮环的内曲面和轴套的外曲面处于非接触状态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型柱面气膜密封的设计与试验[J]. 丁雪兴,张大鹏,唐大全,张伟政,包鑫. 甘肃科学学报. 2019(02)
[2]气固热耦合对微尺度气膜空气静压轴承承载特性的影响[J]. 柴辉,龙威,杨绍华,雷基林,毕玉华. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]气固热耦合对微尺度气浮轴承微振动的影响[J]. 柴辉,龙威,杨绍华,雷基林,毕玉华. 航空动力学报. 2018(05)
[4]柱面螺旋槽干气密封微尺度流动场稳态近似计算[J]. 丁雪兴,贺振泓,张伟政,陆俊杰,苗春昊. 应用力学学报. 2018(01)
[5]柱面螺旋槽气膜密封微尺度流动场稳态特性分析[J]. 丁雪兴,贺振泓,张伟政,陆俊杰,苗春昊. 化工学报. 2018(04)
[6]干气密封单向螺旋槽及其衍生结构功能演变进展[J]. 彭旭东,宗聪,江锦波. 化工学报. 2017(04)
[7]柱面气膜密封性能的CFD数值分析[J]. 苏泽辉,刘美红. 润滑与密封. 2016(09)
[8]T型槽柱面气膜密封稳态性能数值分析[J]. 苏泽辉,刘美红. 机械与电子. 2015(12)
[9]管输离心压缩机干气密封失效分析及采取的措施[J]. 沈登海. 石油化工设备技术. 2015(01)
[10]湘钢2#高炉TRT轴端密封失效问题的研究与实践[J]. 谢宏星,谭援强. 冶金动力. 2014(03)
博士论文
[1]旋转机械设备关键部件故障诊断与预测方法研究[D]. 沈长青.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]柱面螺旋槽气膜密封微间隙流场仿真分析研究[D]. 苗春昊.兰州理工大学 2018
[2]热油泵用机械密封热—结构耦合分析[D]. 赵文元.新疆大学 2018
[3]蜂窝密封技术在炼油装置汽轮机上的应用研究[D]. 向忠.华东理工大学 2017
[4]中温自反应精密钎焊制备铝蜂窝结构的原理与技术研究[D]. 姚俊峰.天津大学 2014
[5]大型汽轮机迷宫密封结构对气动性能影响的数值分析[D]. 张晓旭.清华大学 2014
[6]螺旋槽干气密封性能的研究与应用[D]. 王刚.西安石油大学 2013
[7]基于流固耦合方法的气浮轴承刚度优化设计与实验[D]. 吴斌.哈尔滨工业大学 2013
[8]干气密封技术的研究与应用[D]. 巨军.兰州理工大学 2006
[9]28AT型干气密封装置的应用研究及其改进[D]. 谭清德.四川大学 2004
本文编号：3033952
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柱面螺旋槽气膜密封装置主要部件展开结构示意图
工程硕士学位论文·3以清晰的看到柱面气膜密封装置主要由轴套、轴承、浮动环、定位销、密封支座、端盖等零部件构成。图1.2为气膜密封装置放大的螺旋槽示意图，在轴套的表面上通过打标机开设螺旋槽，电机转轴与开设微槽的轴套采用过盈配合同步进动。其中，柱面螺旋槽气膜密封在轴套外表面开设螺旋微槽后，密封系统运转时可增加了气膜的稳定性，降低旋转轴转动时发生的大幅度位移引起的轴套与浮环之间接触碰撞和接触干摩擦的概率。浮环通过压紧弹簧将浮环与端盖紧挨，在弹簧弹力的作用下，石墨浮环紧挨着端盖，防止了高压侧气体的径向泄漏。定位销保持了浮环与端盖稳定的装配关系，浮环在相对稳定的位置内进行浮动，降低了轴套与浮环擦碰的几率，增加了气膜密封装置的可靠性。图1.2密封装置的螺旋槽示意图1.2.2柱面螺旋槽气膜密封装置的工作原理可压缩气体薄膜密封形式是在某特定的工况参数下，密封装置内相互作用的两部件表面之间形成收敛的楔形微间隙，间隙内存在一层具有相当黏度的可压缩气体薄膜（微米级），当两相互作用表面之间做高速相对运动时，可压缩气体薄膜会在楔形微间隙内产生一定的载荷压力使两个界面之间达到动态平衡，从而将两相互作用表面之间完全相互隔开，不但使密封系统达到了高效密封，也起到了降低密封系统内部零件相互之间的表面磨损作用使整体密封装置服役寿命变长。而且可压缩气体薄膜还具有旋转机械设备起动阶段摩擦阻力孝能量消耗较少、自适应性能好、运动精度高等优点，有效的降低密封设备内部零件之间的相互磨损、提升工作效率以及提高密封系统的密封性能。在可压缩气体薄膜密封中，依据气体薄膜产生的机理不同，大致可以分为以下三类：气体动压密封、气体静压密封和气体挤压密封，三类气膜密封原理示意图如图
柱面螺旋槽气膜密封性能分析与试验研究4（a）气体动压密封（b）气体静压密封（c）气体挤压密封图1.3三类气膜密封原理示意图柱面螺旋槽气膜密封的工作原理类似于径向气浮轴承，属于第一类气膜动压密封。径向气浮轴承气膜形成简图如图1.4所示。O1为石墨浮环中心，O2为电机转轴轴心，R为石墨浮环内半径，r为转轴半径，φ为浮动环偏位角，ω为电机转轴转速，θ为周向坐标，L为气膜有效密封宽度。在柱面螺旋槽气膜密封装置的零部件装配过程中，为使轴套和浮环之间存在楔形微间隙，以便气体薄膜在收敛的间隙内更好的产生动压效应，将它们进行偏心结构安装。在密封装置实际运行的过程中，电机旋转轴带动开设微槽的轴套高速旋转时，轴套开设的螺旋槽和密封装置的偏心结构共同作用，介质气体由于高压差的存在和粘性剪切力的共同作用下泵入螺旋槽内产生动压效应，从气体入口处到螺旋槽槽根部气膜压力一直增加，最薄处气膜刚度迅速提高，从而起到良好的密封效果，实现轴向密封。密封支座和浮环之间为次泄漏通道，属于径向方向的泄漏。压紧弹簧的弹力，介质背压协同作用，令浮环与密封支座紧密贴合，保证周向密封。同时由于节流效应，在槽根处压力达到最大值，气膜承载力使浮环稳定浮起，让浮环的内曲面和轴套的外曲面处于非接触状态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型柱面气膜密封的设计与试验[J]. 丁雪兴,张大鹏,唐大全,张伟政,包鑫. 甘肃科学学报. 2019(02)
[2]气固热耦合对微尺度气膜空气静压轴承承载特性的影响[J]. 柴辉,龙威,杨绍华,雷基林,毕玉华. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]气固热耦合对微尺度气浮轴承微振动的影响[J]. 柴辉,龙威,杨绍华,雷基林,毕玉华. 航空动力学报. 2018(05)
[4]柱面螺旋槽干气密封微尺度流动场稳态近似计算[J]. 丁雪兴,贺振泓,张伟政,陆俊杰,苗春昊. 应用力学学报. 2018(01)
[5]柱面螺旋槽气膜密封微尺度流动场稳态特性分析[J]. 丁雪兴,贺振泓,张伟政,陆俊杰,苗春昊. 化工学报. 2018(04)
[6]干气密封单向螺旋槽及其衍生结构功能演变进展[J]. 彭旭东,宗聪,江锦波. 化工学报. 2017(04)
[7]柱面气膜密封性能的CFD数值分析[J]. 苏泽辉,刘美红. 润滑与密封. 2016(09)
[8]T型槽柱面气膜密封稳态性能数值分析[J]. 苏泽辉,刘美红. 机械与电子. 2015(12)
[9]管输离心压缩机干气密封失效分析及采取的措施[J]. 沈登海. 石油化工设备技术. 2015(01)
[10]湘钢2#高炉TRT轴端密封失效问题的研究与实践[J]. 谢宏星,谭援强. 冶金动力. 2014(03)
博士论文
[1]旋转机械设备关键部件故障诊断与预测方法研究[D]. 沈长青.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]柱面螺旋槽气膜密封微间隙流场仿真分析研究[D]. 苗春昊.兰州理工大学 2018
[2]热油泵用机械密封热—结构耦合分析[D]. 赵文元.新疆大学 2018
[3]蜂窝密封技术在炼油装置汽轮机上的应用研究[D]. 向忠.华东理工大学 2017
[4]中温自反应精密钎焊制备铝蜂窝结构的原理与技术研究[D]. 姚俊峰.天津大学 2014
[5]大型汽轮机迷宫密封结构对气动性能影响的数值分析[D]. 张晓旭.清华大学 2014
[6]螺旋槽干气密封性能的研究与应用[D]. 王刚.西安石油大学 2013
[7]基于流固耦合方法的气浮轴承刚度优化设计与实验[D]. 吴斌.哈尔滨工业大学 2013
[8]干气密封技术的研究与应用[D]. 巨军.兰州理工大学 2006
[9]28AT型干气密封装置的应用研究及其改进[D]. 谭清德.四川大学 2004
本文编号：3033952
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