新型浮动式柱面微槽气膜密封的动力润滑特性研究
发布时间：2021-01-29 03:50
旋转机械设备是石油化工行业的“心脏”设备,而旋转机械的轴端密封装置是“心脏”设备中的核心部件。随着旋转机械设备逐渐向高转速、高温等极端工况条件发展;另一方面,对石化行业使用的非接触式密封提出了零溢出等苛刻要求。然而目前国内使用的端面气膜密封易遭受到磨损、失稳等危害,严重影响化工设备行业的安全运行。因而探寻一种气膜稳定性更好的新型密封迫在眉睫。本论文提出了一种新型浮动式柱面微槽气膜密封结构,设计了单列螺旋槽、单列一字平行槽、双列人字螺旋槽和双列一字平行槽,以静态特性、动态特性、滑移流效应、槽型优化、样机测试为切入点,从理论计算和试验研究两个方面对其微间隙气膜的润滑特性进行深入研究。采用中心差分法和Newton-Raphson迭代法耦合求解压力控制雷诺方程和气膜厚度方程,考虑槽型结构、偏心率和槽台突变对气膜厚度控制方程的影响,获得气膜压力和膜厚分布,分析了工况、结构参数和槽型对新型密封的静态特性影响。结果表明:新型密封适应在小膜厚、大偏心和高转速的环境中稳定运行;单列一字平行槽的气膜承载力最高,双列槽型泄漏量较大;而气膜厚度和偏心率是决定槽型发挥作用的关键参数;并从四种槽型的结果讨论中选取...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：202 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
符号注释表
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
1.2 新型浮动式柱面微槽气膜密封介绍
1.2.1 新型浮动式柱面微槽气膜密封的结构特点
1.2.2 新型浮动式柱面微槽气膜密封的工作原理
1.3 不同气体密封形式特点的对比概述
1.3.1 迷宫密封
1.3.2 刷式密封
1.3.3 蜂窝密封
1.3.4 端面密封
1.4 国内外气膜密封历史研究进程
1.4.1 国内外气膜密封润滑理论的研究进程
1.4.2 国内外气体密封滑移效应的研究进程
1.4.3 国内外气体密封动态特性的研究进程
1.4.4 国内外气体密封试验测试的研究进程
1.5 课题来源与主要研究工作
1.5.1 课题来源
1.5.2 本文的主要研究内容
1.6 课题的创新点与关键性问题
1.6.1 课题的创新点
1.6.2 关键性问题
第2章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的气膜形成规律与静态特性
2.1 新型浮动式柱面微槽气膜密封数学模型的建立
2.1.1 雷诺方程基本应用
2.1.2 雷诺方程的简化及无量纲
2.1.3 雷诺方程的离散与迭代
2.1.4 气膜厚度形成规律和数学模型
2.2 数值计算网格及边界条件
2.2.1 数值计算网格划分
2.2.2 边界条件
2.2.3 收敛条件
2.3 新型浮动式柱面微槽气膜密封的静态特性
2.3.1 结构参数和气体参数
2.3.2 承载力、泄漏量和摩擦力的计算关系式
2.3.3 计算程序流程图
2.3.4 不同槽型的气膜压力分布和膜厚分布
2.3.5 转速对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.3.6 压力对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.3.7 偏心率对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.3.8 膜厚对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.4 本章小结
第3章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的动态特性
3.1 新型浮动式柱面微槽气膜密封的动态求解模型
3.1.1 动态雷诺方程
3.1.2 动态雷诺方程离散求解
3.1.3 有限差分法求解动力学系数方程
3.1.4 气膜刚度阻尼系数表达式推导
3.2 动态特性系数求解流程
3.2.1 边界条件
3.2.2 数值求解流程图
3.3 新型浮动式柱面微槽气膜密封动态特性分析
3.3.1 结构参数和气体参数
3.3.2 转速对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.3 压力对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.4 偏心率对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.5 膜厚对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.6 涡动比对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.4 本章小结
第4章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的多目标多参数协调优化
4.1 多目标多参数协调优化
4.1.1 多目标优化的理论和定义
4.1.2 多目标优化方法
4.1.3 多目标函数承漏比的表达式
4.1.4 多参数协调优化的方法与步骤
4.2 多目标多参数协调优化的流程与关键说明
4.2.1 多目标多参数协调优化的计算流程图
4.2.2 多目标多参数协调优化的说明
4.3 多目标多参数协调优化的计算与分析
4.3.1 优化计算算例
4.3.2 优化结果的对比分析
4.4 本章小结
第5章 滑移流效应对新型浮动式柱面微槽气膜密封的影响
5.1 滑移流效应的理论与研究方法
5.1.1 滑移流效应的理论
5.1.2 滑移流效应的研究方法
5.2 滑移流效应的气体润滑雷诺修正方程与求解
5.2.1 滑移流模型
5.2.2 一阶滑移雷诺修正方程与求解
5.2.3 二阶滑移雷诺修正方程与求解
5.2.4 F-K模型的雷诺修正方程与求解
5.3 滑移流效应对新型浮动式柱面微槽气膜密封的性能影响
5.3.1 气膜压力的对比分析
5.3.2 气膜承载力的对比分析
5.4 本章小结
第6章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的试验研究
6.1 试验系统概述
6.1.1 转动系统的设计与说明
6.1.2 气路系统的设计与说明
6.1.3 密封系统的设计与说明
6.1.4 测试系统的设计与说明
6.2 试验测试原理与方案
6.2.1 测试技术与原理
6.2.2 柱面槽型的雕刻技术
6.2.3 试验步骤
6.2.4 抗干扰措施
6.3 试验结果分析
6.3.1 不同槽型下密封性能的对比分析
6.3.2 优化单列一字平行槽的润滑性能对比分析
6.3.3 不同滑移模型下密封性能的对比分析
6.4 本章小结
结论与展望
1. 结论
2. 展望
参考文献
致谢
附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文
附录B 新型浮动式柱面微槽气膜密封的静、动态特性程序代码
附录C 新型浮动式柱面微槽气膜密封多目标多参数协调优化的程序代码
附录D 新型浮动式柱面微槽气膜密封滑移效应的F-K模型的程序代码
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical simulation on rotordynamic characteristics of annular seal under uniform and non-uniform flows[J]. 吴大转,姜新阔,初宁,武鹏,王乐勤. Journal of Central South University. 2017(08)
[2]两种螺旋角干气密封环端面摩擦特性试验研究[J]. 丁雪兴,王平西,魏龙,金良,陈金林. 摩擦学学报. 2017(03)
[3]Thermoelastohydrodynamic behaviour of inclined-ellipse dimpled gas face seals[J]. DING ShaoPeng,BAI ShaoXian. Science China（Technological Sciences）. 2017(04)
[4]三自由度微扰下的静压干气密封动态特性分析[J]. 许恒杰,宋鹏云. 排灌机械工程学报. 2017(01)
[5]螺旋槽干气密封环端面摩擦试验及其性能分析[J]. 丁雪兴,王平西,张伟政,俞树荣,魏龙. 化工学报. 2017(01)
[6]螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究[J]. 陈源,彭旭东,李纪云,江锦波. 摩擦学学报. 2016(04)
[7]机械密封端面接触状态的声发射监测研究[J]. 李晓晖,傅攀,曹伟青,陈侃. 振动与冲击. 2016(08)
[8]仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型[J]. 江锦波,彭旭东,白少先,李纪云,陈源. 摩擦学学报. 2015(03)
[9]高速高压螺旋槽干气密封端面温度的测试分析[J]. 陆俊杰,丁雪兴,张伟政,严如奇,张英杰. 化工学报. 2015(06)
[10]汽轮机密封技术的应用与发展[J]. 郑数,郁春鹏,戴荣川,晋圣根. 价值工程. 2014(34)
博士论文
[1]干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究[D]. 丁雪兴.兰州理工大学 2008
硕士论文
[1]混流泵能量性能多参数优化研究[D]. 吕云.江苏大学 2017
[2]基于响应面法的柴油机分区燃烧系统多参数多目标优化研究[D]. 卢泓坤.江苏大学 2016
[3]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
[4]旋转机械高性能密封技术研究与应用[D]. 张明.北京化工大学 2011
[5]非渐扩形结构指尖密封特性研究[D]. 桂普国.西北工业大学 2003
本文编号：3006219
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：202 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
符号注释表
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
1.2 新型浮动式柱面微槽气膜密封介绍
1.2.1 新型浮动式柱面微槽气膜密封的结构特点
1.2.2 新型浮动式柱面微槽气膜密封的工作原理
1.3 不同气体密封形式特点的对比概述
1.3.1 迷宫密封
1.3.2 刷式密封
1.3.3 蜂窝密封
1.3.4 端面密封
1.4 国内外气膜密封历史研究进程
1.4.1 国内外气膜密封润滑理论的研究进程
1.4.2 国内外气体密封滑移效应的研究进程
1.4.3 国内外气体密封动态特性的研究进程
1.4.4 国内外气体密封试验测试的研究进程
1.5 课题来源与主要研究工作
1.5.1 课题来源
1.5.2 本文的主要研究内容
1.6 课题的创新点与关键性问题
1.6.1 课题的创新点
1.6.2 关键性问题
第2章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的气膜形成规律与静态特性
2.1 新型浮动式柱面微槽气膜密封数学模型的建立
2.1.1 雷诺方程基本应用
2.1.2 雷诺方程的简化及无量纲
2.1.3 雷诺方程的离散与迭代
2.1.4 气膜厚度形成规律和数学模型
2.2 数值计算网格及边界条件
2.2.1 数值计算网格划分
2.2.2 边界条件
2.2.3 收敛条件
2.3 新型浮动式柱面微槽气膜密封的静态特性
2.3.1 结构参数和气体参数
2.3.2 承载力、泄漏量和摩擦力的计算关系式
2.3.3 计算程序流程图
2.3.4 不同槽型的气膜压力分布和膜厚分布
2.3.5 转速对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.3.6 压力对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.3.7 偏心率对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.3.8 膜厚对不同槽型的承载力、偏位角、泄漏量和摩擦力的影响
2.4 本章小结
第3章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的动态特性
3.1 新型浮动式柱面微槽气膜密封的动态求解模型
3.1.1 动态雷诺方程
3.1.2 动态雷诺方程离散求解
3.1.3 有限差分法求解动力学系数方程
3.1.4 气膜刚度阻尼系数表达式推导
3.2 动态特性系数求解流程
3.2.1 边界条件
3.2.2 数值求解流程图
3.3 新型浮动式柱面微槽气膜密封动态特性分析
3.3.1 结构参数和气体参数
3.3.2 转速对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.3 压力对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.4 偏心率对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.5 膜厚对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.3.6 涡动比对单列螺旋槽与单列一字平行槽动态特性系数的影响
3.4 本章小结
第4章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的多目标多参数协调优化
4.1 多目标多参数协调优化
4.1.1 多目标优化的理论和定义
4.1.2 多目标优化方法
4.1.3 多目标函数承漏比的表达式
4.1.4 多参数协调优化的方法与步骤
4.2 多目标多参数协调优化的流程与关键说明
4.2.1 多目标多参数协调优化的计算流程图
4.2.2 多目标多参数协调优化的说明
4.3 多目标多参数协调优化的计算与分析
4.3.1 优化计算算例
4.3.2 优化结果的对比分析
4.4 本章小结
第5章 滑移流效应对新型浮动式柱面微槽气膜密封的影响
5.1 滑移流效应的理论与研究方法
5.1.1 滑移流效应的理论
5.1.2 滑移流效应的研究方法
5.2 滑移流效应的气体润滑雷诺修正方程与求解
5.2.1 滑移流模型
5.2.2 一阶滑移雷诺修正方程与求解
5.2.3 二阶滑移雷诺修正方程与求解
5.2.4 F-K模型的雷诺修正方程与求解
5.3 滑移流效应对新型浮动式柱面微槽气膜密封的性能影响
5.3.1 气膜压力的对比分析
5.3.2 气膜承载力的对比分析
5.4 本章小结
第6章 新型浮动式柱面微槽气膜密封的试验研究
6.1 试验系统概述
6.1.1 转动系统的设计与说明
6.1.2 气路系统的设计与说明
6.1.3 密封系统的设计与说明
6.1.4 测试系统的设计与说明
6.2 试验测试原理与方案
6.2.1 测试技术与原理
6.2.2 柱面槽型的雕刻技术
6.2.3 试验步骤
6.2.4 抗干扰措施
6.3 试验结果分析
6.3.1 不同槽型下密封性能的对比分析
6.3.2 优化单列一字平行槽的润滑性能对比分析
6.3.3 不同滑移模型下密封性能的对比分析
6.4 本章小结
结论与展望
1. 结论
2. 展望
参考文献
致谢
附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文
附录B 新型浮动式柱面微槽气膜密封的静、动态特性程序代码
附录C 新型浮动式柱面微槽气膜密封多目标多参数协调优化的程序代码
附录D 新型浮动式柱面微槽气膜密封滑移效应的F-K模型的程序代码
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical simulation on rotordynamic characteristics of annular seal under uniform and non-uniform flows[J]. 吴大转,姜新阔,初宁,武鹏,王乐勤. Journal of Central South University. 2017(08)
[2]两种螺旋角干气密封环端面摩擦特性试验研究[J]. 丁雪兴,王平西,魏龙,金良,陈金林. 摩擦学学报. 2017(03)
[3]Thermoelastohydrodynamic behaviour of inclined-ellipse dimpled gas face seals[J]. DING ShaoPeng,BAI ShaoXian. Science China（Technological Sciences）. 2017(04)
[4]三自由度微扰下的静压干气密封动态特性分析[J]. 许恒杰,宋鹏云. 排灌机械工程学报. 2017(01)
[5]螺旋槽干气密封环端面摩擦试验及其性能分析[J]. 丁雪兴,王平西,张伟政,俞树荣,魏龙. 化工学报. 2017(01)
[6]螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究[J]. 陈源,彭旭东,李纪云,江锦波. 摩擦学学报. 2016(04)
[7]机械密封端面接触状态的声发射监测研究[J]. 李晓晖,傅攀,曹伟青,陈侃. 振动与冲击. 2016(08)
[8]仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型[J]. 江锦波,彭旭东,白少先,李纪云,陈源. 摩擦学学报. 2015(03)
[9]高速高压螺旋槽干气密封端面温度的测试分析[J]. 陆俊杰,丁雪兴,张伟政,严如奇,张英杰. 化工学报. 2015(06)
[10]汽轮机密封技术的应用与发展[J]. 郑数,郁春鹏,戴荣川,晋圣根. 价值工程. 2014(34)
博士论文
[1]干气密封螺旋槽润滑气膜的稳、动态特性研究[D]. 丁雪兴.兰州理工大学 2008
硕士论文
[1]混流泵能量性能多参数优化研究[D]. 吕云.江苏大学 2017
[2]基于响应面法的柴油机分区燃烧系统多参数多目标优化研究[D]. 卢泓坤.江苏大学 2016
[3]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
[4]旋转机械高性能密封技术研究与应用[D]. 张明.北京化工大学 2011
[5]非渐扩形结构指尖密封特性研究[D]. 桂普国.西北工业大学 2003
本文编号：3006219
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