干气密封端面型槽多参数优化及设计软件开发

发布时间：2020-04-25 22:28

【摘要】：干气密封因能实现密封动静环的非接触运行,且对密封介质泄漏能严格控制,目前已成为高速旋转机械的首选轴端密封型式,广泛应用于石油化工、能源电力和食品医药等领域。通过优化设计的密封端面结构能显著提高密封的承载能力和流体膜刚度,从而提高密封端面的运行稳定性,因此开发一款优化能力强、设计效率高的干气密封端面型槽优化设计软件,以提高干气密封端面型槽的设计效率,降低对设计人员的依赖,对提高我国现有干气密封的性能指标和设计水平具有重要意义。首先,基于气体润滑理论,通过有限差分法求解雷诺方程,建立干气密封稳态性能参数计算模型,并对比文献验证其正确性。为获得密封性能更优的端面结构几何参数,给出了单因素优化法、循环迭代优化法和遗传算法等三种典型几何参数优化方法的原理及计算流程框图。其次,针对现有干气密封端面结构几何模型所存在的模型繁多、表征能力弱等问题,分别提出单、双向旋转槽干气密封端面结构的广义几何模型。数值分析了工况条件和关键几何参数对经典单、双向旋转槽干气密封稳态密封性能的影响规律,获得了不同工况条件下各经典端面结构的几何参数优选值。在此基础上,综合分析了优选目标、工况条件和优化方法对不同结构单、双向旋转槽干气密封稳态性能的影响规律。结果表明:干气密封单、双向旋转槽的几何参数优选值强烈依赖于工况条件、目标函数和其他几何参数的取值;相较于以往单因素优化所得经典端面型槽的开启力和气膜刚度,采用具有更强几何表征能力的结构模型和更强全局寻优能力的优化算法所获得的稳态密封性能显著提高。最后,通过C++QT框架开发干气密封端面型槽选型优化计算软件,将前文的几种经典槽型和优化方法集成,便于设计参数及计算结果提取,实现了密封性能计算、型槽结构优化和显示等功能,显著提高了干气密封端面型槽优化设计效率。
【图文】：

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第 1 章绪论定性不佳以及缺乏高效的端面型槽优化设计软件等问题，分别提出干气密封单向旋转槽和双向旋转槽的新型结构模型，结合近年来蓬勃发展的智能优化算法，开展干气密封型槽结构多维优化，获得不同工况条件下干气密封端面槽型的最佳设计方案；在此基础上基于 C++QT 框架开发干气密封端面型槽优化设计软件，实现干气密封的性能计算和槽型优化等功能。通过开展干气密封端面型槽智能优化及相关设计软件开发，本课题的工作可完善高参数干气密封的设计方法，为干气密封的优化设计与工程选型提供指导和借鉴。

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(e) 直线槽 (f) T 型槽 (g) 树形槽 (g) 王字槽图 1-2 经典干气密封端面型槽示意图适合单向旋转的螺旋槽 DGS 是目前最常用的干气密封端面型槽，广泛应用于高速离心压缩机和膨胀机等旋转透平机械中。国内外学者围绕干气密封螺旋槽的结构参数优化[4,5]和稳动态特性分析[6,7]开展了大量的理论与实验研究，认为螺旋槽是一种能产生强流体动压效应和气膜稳定性的密封端面结构。近年来，针对如何提高螺旋槽 DGS 在高速条件下的气膜稳定性和密封性，使其抗扰动能力更好和泄漏率更低，近些年来也吸引了国内外研究者的目光。刘雨川[8]等指出，在高速条件下槽数较少时，改变槽数对 DG气膜刚度印象显著，，如当槽数为 30 时的气膜刚度较槽数为 10 时提高约 40%；徐万福设计出由角形微槽族构成新槽型，通过附加槽型引流，有望提升 S-DGS 在高速下的气膜刚度。在高速下，增大引流槽数能够明显提升 S-DGS 的气膜刚度，但其泄漏率变大综合性能并未提升。如何使 S-DGS 气膜稳定性提高，而密封性不明显减弱，乃至有所提升，从而提升其综合性能，彭旭东团队围绕该目标进行了很多的理论与实验研究。在多引流槽和仿生学基础上，前后提出一种多通道型槽[10]、集束螺旋槽[11]和微列螺旋槽[12数值分析和试验结果表明[13,14]：在高速低压工况下，集束螺旋槽和微列螺旋槽干气密封
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH136

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