柱面气膜动压密封微间隙流场模拟与试验

发布时间：2020-04-11 09:33

【摘要】：旋转机械服役时会面临复杂工况与交变载荷,从而导致其轴端采用的传统密封无法满足工况要求,因此研发一种低泄漏、高稳定与长寿命的密封变得尤为重要。本文基于浮动环的浮动特性以及微间隙动压特性,提出了具有浮动与微间隙特性的柱面气膜动压密封装置结构,并设计了矩形槽、流线型斜槽、优化矩形槽、优化流线型斜槽,以流体仿真、样机测试为切入点,从理论模拟和试验研究两个方面对其微间隙动压密封进行深入研究,从而解决了传统密封泄漏量大、稳定性差、服役时间短等问题。本文针对柱面气膜动压密封的微间隙楔形分布空间结构特性,并考虑微槽、微间隙结构以及偏心结构对划分网格的影响,采用独有的block映射技术分别对四种槽型流体域进行结构化网格划分,随后利用Fluent软件对微间隙流体域进行模拟仿真分析研究,分别获得了四种槽型流体域的压力分布和速度分布,分析了工况参数、槽型参数对柱面气膜动压密封性能参数的影响,结果表明:柱面气膜动压密封在低压、高速工况条件下服役更加稳定;随着转速的增加,泄漏量逐渐降低最终趋于平衡,而压力的逐渐增加,泄漏量会迅速的增大;随着转速、压力的逐渐增大,浮升力均会逐渐的增大;流线型斜槽、优化流线型斜槽浮升力均大于矩形槽、优化矩形槽浮升力;优化流线型斜槽泄漏量较小,而矩形槽泄漏量较大。本文搭建了柱面气膜动压密封测试参数试验平台,传动系统采用高速电主轴对密封系统进行驱动,可在0~37000r/min范围内自由调节,从而减少中间传递,提高稳定性,确保试验数据的精确;气路系统主要目的是提供稳定、清洁、无杂质且带有一定压力的惰性气体传输给柱面气膜动压密封装置;测试系统主要测试柱面气膜动压密封装置的转速、密封介质压力、泄漏量;密封系统采用双端面“背靠背”式安装布置,包括样机设计加工、激光刻槽以及槽区、非槽区的3D表征分析,通过3D表面轮廓形貌仪对柱面槽区和非槽区进行3D白光干涉观察与分析,结果表明:槽底表面粗糙度基本满足试验要求。本文设计两种柱面气膜动压密封装置结构(即:刚性支承结构、柔性支承结构),以及不同槽型、浮动环材料对密封性能的影响。经过对不同支承结构、槽型、浮动环材料的试验测试对比研究,结果表明:优化槽型的密封性能均优于初始槽型的密封性能,并且柔性支承结构具有更好的服役效果;相比高强度铝合金(7075)材料,石墨材料具有更好的密封服役性能,并且具有更好的自润滑性,从而提升柱面摩擦副的摩擦性能,减小摩擦系数,降低磨损和摩擦温升;随后利用白光干涉3D表面轮廓形貌仪对服役后的四种槽型区域进行观察与分析,结果表明:四种槽型的非槽区域磨损的更加严重,优化流线型斜槽外表面擦痕最少,且两种初始槽型外表面擦痕较多,从而判断优化流线型斜槽具有更好的密封服役性能。
【图文】：

分解图,轴套,柱面,压环

(c)柱面分解图1.转动轴；2.锁紧螺母；3.轴套Ⅰ；4.轴套Ⅱ；5.锁紧压环；.浮动环；7.压紧弹簧；8.压紧端盖；9.O 型圈；10.密封腔体；11.密封端图 1.1 柱面气膜动压密封刚性支承三维结构简图2）柱面气膜动压密封柔性支承结构装置于柔性支承结构装置，本文是在刚性支承结构的基础上进行优化设化一：在轴套Ⅱ上开设防转孔，并且在锁紧压环上安装防转销，从周向旋转。优化二：在压紧端盖上开设沟槽，并且安装 O 型圈，从压紧端盖柔性支承挤压接触，这样设计的目的是：当柱面气膜动压时，增强了浮动环的自动对心性；减小了浮动环与压紧端盖之间的摩以很好的平衡掉加工误差和安装误差；从而可以避免轴套Ⅱ与浮动擦磨损。如图 1.2 所示，柱面气膜动压密封柔性支承结构三维结构

剖面图,柔性支承,柱面,气膜

柱面气膜动压密封柔性支承结构装置柔性支承结构装置，本文是在刚性支承结构的基础上进行优化设计一：在轴套Ⅱ上开设防转孔，并且在锁紧压环上安装防转销，，从而向旋转。优化二：在压紧端盖上开设沟槽，并且安装 O 型圈，从而紧端盖柔性支承挤压接触，这样设计的目的是：当柱面气膜动压密，增强了浮动环的自动对心性；减小了浮动环与压紧端盖之间的摩擦很好的平衡掉加工误差和安装误差；从而可以避免轴套Ⅱ与浮动环磨损。如图 1.2 所示，柱面气膜动压密封柔性支承结构三维结构简(a)柱面剖面图 (b)柱面透明图
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH136

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