螺旋槽干氣密封系統(tǒng)非線性動力學行為研究碩士論文

1、. . . . 碩士學位論文螺旋槽干氣密封系統(tǒng)非線性動力學行為研究The Research on Nonlinear Dynamic Behavior of the Spiral Grooved Gas SealsbyZHU LiB.E. (Lanzhou University of Technology) 2008M.S. (Lanzhou University of Technology) 2011A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of Engineer

2、inginChemical Process Mechanical Engineeringin the Graduate SchoolofLanzhou University of TechnologySupervisorProfessor Yu ShurongMay, 2011理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者

3、簽名：日期： 年 月 日學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權理工大學可以將本學位論文的全部或部分容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡向社會公眾提供信息服務。本學位論文屬于1、，在年解密后適用本授權書。2、不。（請在以上相應方框打“”）作者簽名： 日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日59 / 69學位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所

4、呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期

5、： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日目 錄摘要Abstract第1章 緒 論11.1 課題研究的意義11.2 國外研究歷史和現(xiàn)狀形式11.2.1 國外研究歷史和現(xiàn)狀11.2.2 國研究歷史和現(xiàn)狀31.2.3 發(fā)展趨勢41.3 課題來源與主要研究工作61.4 課題的創(chuàng)新點與關鍵性問題7第2章 螺旋槽干氣密封的基本理論82.1 螺旋槽干氣密封的工作原理82.2 力學模型與受力分析92.3 螺旋槽干氣密封的材料112.4 螺旋槽干氣密封的槽型幾何參數(shù)132.5 螺旋槽干氣密封特點與其與其他機械密封的比較14第3章 干氣密封螺旋槽潤滑氣膜動態(tài)特性參數(shù)的計算與分析163.1 螺旋槽干氣密封氣膜剛

6、度的計算163.2 螺旋槽干氣密封阻尼系數(shù)的數(shù)學模型163.2.1 氣膜壓力復函數(shù)的表達式163.2.2 軸向阻尼系數(shù)的數(shù)學模型173.2.3 角向阻尼系數(shù)的數(shù)學模型173.3 特定工況下干氣密封阻尼系數(shù)的計算和分析173.3.1 軸向阻尼系數(shù)183.3.2 角向阻尼系數(shù)193.4 變工況下干氣密封阻尼系數(shù)的計算和分析203.4.1 軸向阻尼系數(shù)203.4.2 角向阻尼系數(shù)213.5 本章小結22第4章 螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動的追隨性分析244.1 軸向振動下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動力學模型244.2 氣膜特性參數(shù)計算254.2.1 氣膜軸向剛度計算254.2.2 氣膜軸向阻尼計算2

7、54.3 特定工況下靜環(huán)振動追隨性分析254.3.1 特定工況下靜環(huán)振動分析254.3.2 變工況下靜環(huán)振動追隨性分析264.3.3 變結構參數(shù)靜環(huán)振動追隨性分析274.4 本章小結27第5章 干氣密封氣膜-密封環(huán)系統(tǒng)軸向動力穩(wěn)定性分析285.1 基本方程的建立與求解285.2 非線性氣膜動態(tài)參數(shù)的計算285.3 方程的簡化295.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析305.4.1 用指數(shù)方法研究系統(tǒng)分岔問題305.4.2 研究系統(tǒng)分岔問題的螺旋角圍305.4.3 變工況下系統(tǒng)分岔問題的螺旋角圍315.5 本章小結32第6章 螺旋槽干氣密封特性參數(shù)的試驗研究336.1 干氣密封試驗裝置336.2 樣機結構參數(shù)和

8、零部件攝影圖346.2.1 樣機結構尺寸346.2.2 樣機零部件攝影圖346.3 干氣密封試驗測試技術356.3.1 測試系統(tǒng)設計356.3.2 特性參數(shù)的測試技術356.4 特性參數(shù)的測定結果與分析386.4.1 泄漏量測定386.4.2 功耗測定386.4.3 氣膜軸向剛度測定39結論41參 考 文 獻42致 45附錄A 攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術論文46附錄B 潤滑氣膜阻尼的計算程序47附錄C 螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動的追隨性程序51附錄D 軸向振動穩(wěn)定性程序53摘 要螺旋槽干氣密封操作的穩(wěn)定性和可靠性與其槽型參數(shù)息息相關，其動力學特性一直是國外研究的熱點。本文以螺旋槽干氣密封

9、為研究對象，建立了軸向振動下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動力學模型，利用Maple程序求解了軸向振動方程，對靜環(huán)追隨動環(huán)的動力學特性進行了分析，在此基礎上利用特例計算并擬合非線性氣膜動態(tài)參數(shù)，得到了一個非線性受迫振動微分方程，分析了螺旋角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。主要研究容和結論如下：建立了氣膜軸向和角向阻尼系數(shù)的計算模型，利用Maple程序求解阻尼系數(shù)的近似表達式，通過動態(tài)穩(wěn)定性分析，獲得不同介質壓力和轉速下的槽型參數(shù)。分析結果表明：隨著介質壓力和轉速的增大，氣膜阻尼系數(shù)增大，得到穩(wěn)定性最佳的螺旋角數(shù)值，且與實驗數(shù)據(jù)基本一致，說明所建立的阻尼系數(shù)數(shù)學模型正確。建立了軸向振動下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動

10、力學模型，利用Maple程序求解了軸向振動方程，獲得了在不同追隨性系數(shù)下的靜環(huán)時間歷程圖。研究結果表明：特例中靜環(huán)追隨動環(huán)的臨界條件是彈簧剛度為氣膜剛度的0.42倍，改變工況不影響其臨界條件。但隨著結構參數(shù)的變化，臨界條件發(fā)生了改變?？梢娡ㄟ^選擇合理的追隨性系數(shù)可以控制氣膜的穩(wěn)定性，為干氣密封動態(tài)優(yōu)化設計提供了理論基礎?；诜蔷€性振動理論，在特例下計算并擬合非線性氣膜動態(tài)特性參數(shù)，得到了一個非線性受迫振動微分方程。在無外激勵情況下，通過求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題，分析了螺旋角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角圍，并求得在特例下螺旋角=751326時系統(tǒng)發(fā)生Hopf

11、分岔。這與先前利用龍格-庫塔法研究的結果一致，從而驗證了該方法的正確性。改變工況討論系統(tǒng)分岔問題，得到了系統(tǒng)分岔時的螺旋角數(shù)值，結果表明其螺旋角數(shù)值基本不變，說明改變工況其分岔點位置不變，其結果為干氣密封的動態(tài)優(yōu)化設計提供了理論指導。在一通密封的2900r/min密封試驗臺上對螺旋槽干氣密封系統(tǒng)進行了試驗研究。完成了氣體端面密封試驗臺的測試系統(tǒng)的總體方案設計、測試系統(tǒng)的硬件配置。測試了泄漏量、功耗和氣膜軸向剛度，給出了氣體端面密封試驗的測試結果，并與理論計算近似值比較，進行誤差分析。試驗測出數(shù)值與計算結果較為吻合。關鍵詞：螺旋槽；干氣密封；阻尼系數(shù)；Maple程序；追隨性；非線性；穩(wěn)定性；分岔

12、；試驗研究AbstractThe stability on a system of spiral grooved gas seal is closely related to its dynamical characteristic, and hence its dynamical characteristic has been the domestic and foreign research area. The paper takes spiral groove dry gas seal as research project，dynamical model on two degree o

13、f freedom system of gas film and seal ring subjected to axial vibration was established, and the axial vibration equation was solved by using the Maple program , then the static ring following-up rings dynamical characteristic has been analyzed, on the basis, a nonlinear forced vibration differentia

14、l equation was derived while the nonlinear dynamical characteristic of the gas film was calculated and simulated, and the stability influenced by spiral angle was analyzed in the system. The main contents and achievements are summarized as follow:Calculation model on a system of axial damper and ang

15、ular damper coefficient, and the approximate function expression of damper coefficient were solved by using the Maple program, and the approximate solution of gaseous film rigidity was obtained. Finally optimizing geometric parameters under environment pressure and speed were acquired by analyzing t

16、he dynamic stability. The results show that with the increase of environment pressure and speed, damper coefficient increases and then got the finally optimizing geometric parameters that the basic agreement of experiment date. So calculation model on a system of damping coefficient is correct, whic

17、h provides the theoretical basis on dynamical optimization design of gas seals.The dynamical model ofdual freedom degree of gas film-seal ring systemunder axial vibration was established.The axial vibration equation was solved by using the Maple program, then the time history charts of stationary ri

18、ngwithvarious following-up coefficients were obtained. The results show that the critical condition of stationary ring following rotating ring is that spring rigidity value is 0.42 times greater than gas film rigidity value. The critical condition remains unchanged with changing operating parameters

19、,but it changes with the change of structure parameters. The stability of gas film can be controlled by selecting suitable following-up coefficient, which may provide the theoretical basis forthe dynamical optimization design of gas seal.The dynamical axial vibration model of the gas film and seal r

20、ings in the system of dry gas seals was established that the help of the theory of nonlinear vibration, a nonlinear forced vibration differential equation was derived while the nonlinear dynamical characteristic of the gas film was calculated and simulated, in order to obtain the Melnikov function,

21、the free oscillation equation of a kind of nonlinear dynamics system was solved, an exact solution to the problem was obtained under varying initial conditions. The bifurcation question was discussed according to Floquet exponent, and the stability influenced by spiral angle was analyzed in the syst

22、em, the range of the spiral angle enable system stable was given on the condition of none outer excitation, when spiral angle at 751014the Hopf bifurcation occurs in the system. Regions of structure parameters enable system stable was obtained, the result guiding the dynamic optimization in the dry

23、gas seals system. The experimental investigation of groove dry gas seal was conducted on the 2900r/min test device in ChengDu YiTong Seal Co., Ltd. The research finished overall plan of instrumentation system and hardware configuration, tested leakage, power lose and gaseous film rigidity, obtained

24、test results and analyzed error between test and calculation data. Comparing some data from experiments with that of approximate calculation, the results show that dynamical and mathematical model of the gas flow between seal faces is validated correctly. KeyWords:Spiral groove; Gas seals; Damper co

25、efficient; Maple program; Following-up; Nonlinear ; Stability;Bifurcation; Test research第1章 緒 論1.1 課題研究的意義目前，國外石化行業(yè)普遍使用離心式壓縮機來輸送各類工藝氣體，這些氣體大多具有可燃性、腐蝕性、易燃與有毒的特性，而且通常工作壓力和溫度較高，一旦密封失效，不僅污染環(huán)境，影響人體健康和產(chǎn)品質量，而且往往會導致火災、爆炸等重大事故。為了防止或者限制這些工藝氣體沿壓縮機旋轉軸端部泄漏到大氣中，須采用各種有效的軸端密封裝置。在整個壓縮機系統(tǒng)中，軸端密封僅僅是一個很小的部件，但它往往能決定機器設備的

26、安全性、可靠性和耐久性，其作用對整臺機器、整套裝置乃至整個工廠的影響都很大。近年來，隨著密封技術的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了一種稱之為干式氣體密封1（Dry Running Gas Seal）的新型軸封，解決了多年來機械密封一直不能干運轉的難題。這種密封采用氣體作為密封介質，是一種非接觸式新型軸端密封。干氣密封部氣體流動的氣膜平衡間隙尺度（典型值為35m）為微米級。顯然，間隙微小變化極有可能導致動靜密封環(huán)間的干摩擦或泄漏量增大，因而保證氣膜穩(wěn)定性是干氣密封可靠運行的關鍵。而氣體端面密封的穩(wěn)定性和可靠性與其動力學特性密切相關，其動力學特性一直是國外研究的熱點和難點2。1.2 國外研究歷史和現(xiàn)狀形式1

27、.2.1 國外研究歷史和現(xiàn)狀1.2.1.1 理論與試驗研究螺旋槽干氣密封是基于螺旋槽軸承理論而發(fā)展起來的。螺旋槽軸承理論始于上世紀二十年代，1925年，德國的 L.Gumbel首次提出螺旋槽止推軸承的概念。由于計算機水平的限制，人們對此問題的分析都采用的是近似解析方法3。上世紀四十年代，Wipple對螺旋槽主推軸承的理論進行了探討，提出了壓力線性分布假設，研究了等間距排列的平面平行槽與平板間的流體流動，發(fā)展了Wipple 軸承理論4。1951年，Wipple提出了一種理論，用于解可壓縮或不可壓縮流體的基本動力潤滑方程，即Wipple 窄槽理論。1966年，Muijderman 在Wipple

28、模型的基礎上，采用復變函數(shù)保角變換理論將螺旋槽模型轉化成平行直線槽模型，并重點考慮了槽端部的影響，提出了較完整的螺旋槽軸承理論5。Wipple和Muuijderman的方法，只研究了層流、穩(wěn)流的流體流動規(guī)律。1969年Gardner用解析法研究了結合流體靜壓原理和動壓原理的弧形螺旋槽端面非接觸式機械密封6。同年，John Zuk等利用有限差分法計算了螺旋槽機械密封的流場和壓力場，分析表明當槽深與槽寬之比小于1/8時（一般的淺螺旋槽機械密封均能滿足此條件），橫截面渦流的影響可以忽略7。1973年Gardner實驗研究了水潤滑螺旋槽機械密封的性能，并將研究結果應用于潛水泵8。1974年，Hsing

29、利用攝動理論開始研究螺旋槽流體流動的軸向和徑向動態(tài)特性9。從20世紀50年代到70年代初，可認為是處于流體動壓型機械密封機理探索和研究階段，這為隨后的工業(yè)應用打下了良好的基礎。從20世紀70年代開始，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，尤其是在計算機的計算速度和存貯能力得到大幅度提高以后，借助計算機，人們能夠比較精確地模擬密封端面間氣膜的流場，這為螺旋槽干氣密封的開發(fā)、設計提供了重要手段。1974年螺旋槽干氣密封首次成功地應用于煉油廠的透平膨脹機上，標志著其工業(yè)應用的開始10。1979年Ralph P.Gabriel發(fā)表了螺旋槽氣體潤滑機械密封的重要文獻“Fundamentals of Spiral G

30、roove Noncontacting Face Seals”11。它總結了螺旋槽氣體潤滑機械密封發(fā)展到當時的典型結構，解釋了密封操作的基本原理，闡述了操作條件和設計參數(shù)對密封性能的影響。20世紀80年代中期以后，國外螺旋槽干氣密封已基本成熟，被廣泛應用于離心式壓縮機等高速旋轉機械上。但研究仍在不斷深入，1994年，Clieniche等人采用有限差分法求解了開槽機械密封含湍流影響因子的流體動力潤滑方程。1995年，Kowalski用有限差分法計算并設計了能反轉的螺旋槽干氣密封12。端面槽形從僅能單向旋轉的螺旋形發(fā)展到具有反轉特性的單向螺旋形，以與能雙向旋轉的組合螺旋燕尾槽。同時，新材料在端面密

31、封技術領域得到廣泛應用，密封端面材料從傳統(tǒng)的碳化鎢發(fā)展到導熱性能更好且易于制造的表面滲氮和滲硼鐵基合金13。1.2.1.2 國外干氣密封產(chǎn)品的設計、開發(fā)與應用 1968年，John Crane公司在加德納研制并試驗出圓弧面螺旋槽非接觸式機械密封，獲得美國專利3499653。該公司從20世紀70年代初期開始，陸續(xù)推出其適用于離心壓縮機的28型系列干氣密封。目前，28型系列有28LD、28、28AT和28NE四種基本型式14。28LD適用于低壓、中速的工業(yè)風機、氣體傳送裝置；28適用于小直徑管線和離心壓縮機；28AT適用于高速、高壓的大直徑管線和離心壓縮機；28NE適用于蒸汽透平、透平膨脹機和其它

32、高溫設備。在四種基本型式中又分成不同的密封系列，如單端面、雙端面和串聯(lián)式。可以根據(jù)不同的氣體種類、設備類型、操作條件和安全性要求來選擇。單端面型主要用于輸送空氣、氮氣和二氧化碳等即使有少量氣體泄漏到大氣中也沒有危害的場合。雙端面型用于對環(huán)境有污染的不允許泄漏到大氣中或介質不穩(wěn)定或有負壓危險的場合。串聯(lián)式普遍用于壓力超過了單端面所能承受的能力或在側作為第一級主密封，在外側作為第二級備用密封的場合。除了離心式壓縮機用干氣密封，John Crane公司還推出了泵用干氣密封系列和反應釜和攪拌器用干氣密封系列。到1985年時，螺旋槽干氣密封已獲得了廣泛的商業(yè)應用。目前，該公司的28型系列干氣密封已經(jīng)成為

33、一種工業(yè)標準配置，被廣泛應用于石油化工等行業(yè)。除John Crane外，國外比較著名的開發(fā)、生產(chǎn)干氣密封產(chǎn)品的公司還有像美國的Flowserve公司、德國的Burgmane公司以與日本的EKK公司。Flowserve公司現(xiàn)有Gaspac系列壓縮機用干氣密封產(chǎn)品，具有槽形獨特，輔助密封可靠的特點。Burgmane公司已經(jīng)開發(fā)出了CGS泵用干氣密封、AGS反應釜、攪拌器用干氣密封以與DGS壓縮機用干氣密封。20世紀90年代后，John Crane和Burgmane公司成功推出了適用于雙向旋轉的干氣密封產(chǎn)品15。1.2.2 國研究歷史和現(xiàn)狀1.2.2.1 理論與試驗研究我國在上世紀80年代中期，可是

34、逐步引進國外干氣密封技術，應用于大型離心式壓縮機。通過實踐證明，干氣密封具有非常明顯的優(yōu)勢。同時，國有關的研究機構也相繼對干氣密封進行了一些研究。1990年，王美華用三角形單元有限元法計算了人字型槽機械密封端面間的壓力場，并隨后發(fā)表了其熱變形與力變形的計算結果16。1991年，王建榮、顧永泉等用普遍有限元法計算了圓弧槽氣體密封的特性17。1994年，蔡文新等用八結點有限單元法計算了螺旋槽氣體密封的壓力18。1995年，建等也采用八結點有限單元法計算了螺旋槽出氣體密封的壓力，并進行了部分參數(shù)優(yōu)化19。1996年，胡丹梅采用八結點有限單元法計算了直線斜槽氣體密封的壓力分布和密封性能20。1999年

35、，雨川采用有限單元法計算了螺旋槽氣體密封的壓力、溫度以與變形21。2002年，林培峰對螺旋槽氣體端面密封氣膜間的壓力場分布進行了有限元分析并開發(fā)了專門的有限元軟件，得到了螺旋槽氣體端面的氣膜壓力場，并且討論了密封的幾何參數(shù)和工作參數(shù)對壓力場的影響22。2002年，雙喜對螺旋槽氣體端面密封的動態(tài)熱性進行了分析，得到了端面氣體密封的擾動特性的18個動態(tài)參數(shù)，討論了螺旋槽氣體密封幾何參數(shù)和工作參數(shù)對密封動態(tài)性能的影響23。2003年，子濤在林培峰的研究基礎上對T型槽氣體端面進行了有限元分析，得到了T型槽氣體端面密封的壓力分布24。2004年，偉進行了螺旋槽氣體端面密封環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場的有限元分析，得到了

36、螺旋槽氣體端面密封的溫度場分布，討論了密封的幾何參數(shù)和工作參數(shù)對溫度場的影響25。目前，化工大學的蔡紀寧，秋翔等人在干氣密封試驗研究與動態(tài)穩(wěn)定性分析方面做了些工作，發(fā)表了螺旋槽端面干氣密封的參數(shù)研究，高速螺旋槽氣體密封軸向微擾的有限元分析的論文。交通大學動力機械工程學院的王彤博士將微尺度效應理論應用于螺旋槽干氣密封的流動中，在工程熱物理學報上發(fā)表了微尺度效應對螺旋槽干氣密封的影響的論文。這對干氣密封技術的應用具有十分重要的指導意義。1.2.2.2 干氣密封產(chǎn)品的設計、開發(fā)和應用盡管干氣密封在國外已經(jīng)運行了很多年，但在我國大量使用干氣密封還在20世紀80年代中期，進口大型化肥裝置中部分透平壓縮機

37、以與大型高壓離心泵，開始采用以美國John Crane的28型為代表的干氣密封，替代了傳統(tǒng)的迷宮式密封和接觸式密封。如中原、錦西、蒙化肥廠、建峰化肥裝置中的CO2壓縮機組高壓缸就采用了John Crane的28AT型單端面干氣密封。90年代同期引進的天華、蒙、化肥裝置中離心式高壓液氨還采用了John Crane的28VL型串聯(lián)式干氣密封。我國上世紀90年代初才開始進行進口干氣密封的國產(chǎn)化研究以與開展具有自主知識產(chǎn)權的干氣密封產(chǎn)品的開發(fā)和研制。鼎銘密封的兩個產(chǎn)品已于1999年4月獲得了國家專利，并且多項產(chǎn)品在石化行業(yè)得到應用26。1988-1990年，石油大學（華東）顧永泉、王建榮等首先研制和試

38、驗了泵入式圓弧槽氣體端面密封，獲我國國家實用型專利92203159。1992-1994年，國一些機械密封生產(chǎn)廠家開始試制干氣密封產(chǎn)品，并通過上機試驗合格后投放市場并獲得成功。其中，鼎銘密封公司利用王玉明院士的專利技術研制了第一套國產(chǎn)干氣密封裝置，于1996年底在燕山石化首次應用成功，替代了原來從國外進口的密封裝置。該公司先后開發(fā)出了TMO2A，TMO2B，TMO2C和TMO2D四種型號的干氣密封產(chǎn)品27，已應用于全國大型石化公司。填補了國離心式壓縮機用干氣密封的空白。1）TMO2A型單端面干氣密封：當被密封的工藝介質無毒、無害、壓力為中、低壓，允許少量泄露到大氣中時，可以選用此種形式的密封。2

39、）TMO2B型雙端面干氣密封：當介質為不允許泄露到大氣中的危險氣體，但允許隔離氣體（如氮氣）少量進入到工藝介質中，可以考慮選用。3）TMO2C型串聯(lián)式干氣密封：適用于各種壓力、危險性氣體密封場合。4）TMO2D型中間帶直筒的串聯(lián)式干氣密封：這類密封適用于既不允許工藝介質泄露到大氣中，也不允許隔離氣體泄露到介質中的場合。1.2.3 發(fā)展趨勢干氣密封技術雖然已經(jīng)被廣泛應用且應用圍逐漸擴大，但對干氣密封理論的研究、認識和應用還有待于進一步的加深。1）干氣密封總體設計方面以往的干氣密封研究僅在摩擦、材料等方面進行，至今沒有得出令人滿意的結論。目前已在端面微觀形貌（粗糙度、波度、變形等）、相變、空化等方

40、向開展了一些研究，但是很少從流體力學角度入手?？紤]耦合傳熱、變形等因素，對氣體膜流動進行分析，建立比較實用的干氣密封設計模型，提出相關的理論和相應的改型措施是當前需要深入進行的重要方面?，F(xiàn)代設計和機理的研究相輔相成。把幾何模型的建立和壓力、溫度變形的耦合計算作為對象處理，開發(fā)出圖形交互式的計算分析系統(tǒng)，并同時與試驗數(shù)據(jù)對比修正，以優(yōu)化設計參數(shù)，最終形成一套完整的設計軟件系統(tǒng)意義深遠。這方面需要大量的數(shù)值模擬以與試驗數(shù)據(jù)的搜集統(tǒng)計工作，需要更多的人員和經(jīng)費投入并完善現(xiàn)有CAD軟件功能。由于密封失效存在的原因很多，它和設計、操作以與使用條件的關系尚不清楚，可建立故障診斷和分析系統(tǒng)來進行研究28。密

41、封的壓力、溫度會對密封性能產(chǎn)生直接的影響，造成密封泄漏，特別是我國石油化工工業(yè)運轉周期將延長，迫切要求開展這方面的研究，以便測量和記錄現(xiàn)場實際工作條件，并由此確定對密封性能的影響。隨著旋轉設備向高參數(shù)發(fā)展以與環(huán)保對密封提出更高的要求，迫切要求密封系統(tǒng)有自動監(jiān)測和調控功能，而且隨著微電子學、測控技術的發(fā)展與其在密封領域的應用，密封技術的監(jiān)控技術會在石化等工業(yè)領域中得到應用。但是引起密封失效的因素很多，究竟選擇哪種參數(shù)作為反饋信號才能夠與時準確，也是當今研究的熱點。新材料的研制開發(fā)。隨著機械密封使用要求的提高，也促使其用材進一步發(fā)展，如對有自潤滑性硬質合金、高性能工程瓷、高性能密封圈材料以與混入納

42、米粒子的SiC-C-C等新材料的研究與應用。利用噴涂技術和新工藝來修復硬面和制造硬面環(huán)也有很多嘗試。隨著納米科學與技術的發(fā)展而派生出來的納米摩擦學的發(fā)展，有很多學者分析了介質潤滑性對摩擦系數(shù)和磨損的影響，從微觀上解釋了摩擦磨損機理，設計與制備出納米尺度上的潤滑與減磨耐磨材料，是90年代以來摩擦學研究領域最活躍，也是材料學與摩擦學科交叉領域最前沿的容。為了改善材料的潤滑條件，還有很多學者作了納米粒子做潤滑添加劑的研究和展望。 2）理論計算方面通過對各種干氣密封結構進行有限元理論分析，從分析結果對比可知，有限元法更為準確、更接近實際。但從目前國的研究結果看，一些理論還不太成熟，方法還不太統(tǒng)一，有待

43、于進一步完善。由于干氣密封不可能達到零泄漏，所以密封布置方式的選擇要更為具體和合理。如何采取有效的措施減少泄漏量是干氣密封的一個研究方向。液體污染物進入密封槽后，經(jīng)逐漸積累會造成氣膜承載力的下降，有發(fā)生端面接觸的危險。如何清除和防止槽中液體雜質污染需進一步研究。密封材質的選擇決定了干氣密封的運行狀況與使用壽命，因此要通過對比研究與不斷的實踐，從而得出一些好的經(jīng)驗和結論。影響干氣密封運轉性能的因素很多，一般分為密封操作參數(shù)和密封槽型幾何參數(shù)。密封面結構參數(shù)對密封的穩(wěn)定性與可靠性有很大的影響，密封面的結構優(yōu)化問題應成為研究的重點。另外，一些過去涉與較少的方面比如端面平衡間隙、低速運轉情況下的密封等

44、也將成為研究的熱點。目前在化工泵中遇到的難題之一是高溫介質的零泄漏問題，解決這一關鍵問題的最好方法是采用波紋管式干氣密封。已焊接金屬波紋管替代彈簧作為彈性元件，由于波紋管具有輔助密封作用，這樣不但省掉了橡膠制作的動環(huán)輔助密封圈，而且具有較好的軸向浮動性，提高了密封性能。1.3 課題來源與主要研究工作本課題來源于國家自然科學基金資助項目（50965010）螺旋槽干氣密封非線性動力學設計理論與方法的研究。主要研究了以下四個方面的工作：1）螺旋槽干氣密封潤滑氣膜阻尼系數(shù)的計算與分析螺旋槽干氣密封操作的穩(wěn)定性和可靠性與其槽型參數(shù)息息相關，為優(yōu)化槽型參數(shù)建立氣膜軸向和角向阻尼系數(shù)的計算模型，利用Mapl

45、e程序求解阻尼系數(shù)的近似表達式，通過動態(tài)穩(wěn)定性分析，獲得不同介質壓力和轉速下的槽型參數(shù)。分析結果表明：隨著介質壓力和轉速的增大，氣膜阻尼系數(shù)增大，得到穩(wěn)定性最佳的螺旋角數(shù)值，且與實驗數(shù)據(jù)基本一致，說明所建立的阻尼系數(shù)數(shù)學模型正確。2）螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動的追隨性分析螺旋槽干氣密封微尺度氣膜穩(wěn)定性與其靜環(huán)追隨動環(huán)的動力學特性密切相關，其追隨性分析是國外研究的熱點。本文建立了軸向振動下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動力學模型，利用Maple程序求解了軸向振動方程，獲得了在不同追隨性系數(shù)下的靜環(huán)時間歷程圖。研究結果表明：特例中靜環(huán)追隨動環(huán)的臨界條件是彈簧剛度為氣膜剛度的0.42倍，改變工況不影響

46、其臨界條件。但隨結構參數(shù)的變化，臨界條件發(fā)生了改變?？梢娡ㄟ^選擇合理的追隨性系數(shù)可以控制氣膜的穩(wěn)定性，為干氣密封動態(tài)優(yōu)化設計提供了理論基礎。3）干氣密封氣膜密封環(huán)系統(tǒng)軸向振動動力穩(wěn)定性分析基于非線性振動理論，建立了氣膜-密封環(huán)系統(tǒng)軸向振動動力學模型，在特例下計算并擬合非線性氣膜動態(tài)參數(shù)，得到了一個非線性受迫振動微分方程。在無外激勵情況下，通過求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題，分析了螺旋角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角的圍，并求得在特例下螺旋角a=751326時系統(tǒng)發(fā)生hopf分岔。這與先前利用龍格-庫塔法研究的結果一致，從而驗證了該方法的正確性。改變工況討論系統(tǒng)分岔

47、問題，得到了系統(tǒng)分岔時的螺旋角數(shù)值，結果表明其螺旋角數(shù)值基本不變，說明改變工況其分岔點位置不變，其結果為干氣密封的動態(tài)優(yōu)化設計提供了理論指導。4）螺旋槽干氣密封特性參數(shù)的試驗研究在一通密封的2900r/min密封試驗臺上對螺旋槽干氣密封系統(tǒng)進行了試驗研究。完成了氣體端面密封試驗臺的測試系統(tǒng)的總體方案設計、測試系統(tǒng)的硬件配置。測試了泄漏量、功耗和氣膜軸向剛度，給出了氣體端面密封試驗的測試結果，并與理論計算近似值比較，進行誤差分析。試驗測出數(shù)值與計算結果較為吻合。1.4 課題的創(chuàng)新點與關鍵性問題課題的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）動態(tài)特性參數(shù)的計算軸向微擾下氣膜軸向阻尼系數(shù)的計算，角向微擾下氣

48、膜角向阻尼系數(shù)的計算。2）軸向振動的追隨性分析，即：靜環(huán)追隨動環(huán)的動力學特性。3）系統(tǒng)分岔問題，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角圍。相應解決的關鍵性問題如下：1）求解氣膜阻尼系數(shù)的數(shù)學表達式；2）軸向振動下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動力學模型的建立；3）基于非線性振動理論，對螺旋槽干氣密封氣膜動態(tài)特性參數(shù)的計算。第2章 螺旋槽干氣密封的基本理論2.1 螺旋槽干氣密封的工作原理如圖2.1，它主要由加載彈簧、O形圈、靜環(huán)以與動環(huán)組成。靜環(huán)和加載彈簧被安裝在靜環(huán)座中，并依靠O形圈進行二次密封。靜環(huán)一般用較軟的，有自潤滑作用的材料，在彈簧等載荷的作用下，可沿軸向自由移動。動環(huán)依靠軸套固定在旋轉軸上并隨軸

49、旋轉。動環(huán)由硬度高、剛性好且耐磨的材料制造。圖2.1 螺旋槽干氣密封結構如圖2.2，螺旋槽干氣密封設計的特別之處是在動環(huán)表面加工出一系列螺旋狀溝槽。槽型線一般選用對數(shù)螺旋線，數(shù)學上可用以下方程描述29： （2.1）式中：rg -起始半徑；-角度坐標；-螺旋角。圖2.2 泵入型螺旋槽工作原理可用圖2.3說明，緩沖氣體（可以是經(jīng)過濾后的壓縮機出口氣、氮氣或惰性氣體）注入到密封裝置，動、靜環(huán)在流體靜壓力和彈簧力的作用下保持貼合，起到密封的作用。當動環(huán)旋轉時將被密封氣體周向吸入（泵吸作用）槽，氣體沿槽向槽根部運動，由于受到密封堰的阻礙，氣體作減速流動并被逐漸壓縮。在此過程中，氣體的壓力升高，即產(chǎn)生了流

50、體動壓力。當壓力達到一定數(shù)值時，具有撓性支承的靜環(huán)將從動環(huán)表面被推開，這樣密封面之間始終保持一層極薄的氣膜，所形成的氣膜一方面能有效地使端面分開，保持非接觸，另一方面又使相對運轉的兩端面得到冷卻。同時，密封面間極小的氣膜間隙能有效地控制泄漏到最低水平。圖2.3 螺旋槽干氣密封工作原理2.2 力學模型與受力分析以靜環(huán)為研究對象，對圖2.1螺旋槽干氣密封結構作受力分析。1）在停止運轉時，作用于密封副上的力只有流體靜壓力。靜環(huán)受兩個方向的力，如圖 2.4 所示。一個是使密封面閉合的力 FC，它由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質壓力p1以與背壓 p2引起的力組成。其中 A 為密封面面積。另一個是使密封面開啟

51、的力 FO，它由作用在密封面上的流體靜壓力引起。此時開啟力小于閉合力，靜環(huán)端面和動環(huán)端面貼合，起到靜態(tài)密封作用。圖2.4 流體靜壓力分布2）在正常運轉時，靜環(huán)仍受到兩個方向的力。閉合力由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質壓力 p1以與背壓 p2引起的力組成。開啟力則由作用在密封端面上的流體靜壓力和流體動壓力引起，如圖 2.5 所示。當閉合力與開啟力相等時，即 FC=FO時，密封處于平衡工作狀態(tài)，動環(huán)與靜環(huán)之間形成一個穩(wěn)定的間隙。圖2.5 正常運轉時氣膜的壓力分布3）當受到外來干擾時，可能導致密封面之間的間隙改變。當間隙減小時，由氣膜產(chǎn)生的開啟力顯著增加，此時 FCFO，密封間隙將減小，密封也會很快恢復

52、到平衡位置，如圖 2.6(b)所示。由以上的受力分析可知，螺旋槽干氣密封系統(tǒng)具有自我調節(jié)的能力，這種自我調節(jié)的結果使得動環(huán)和靜環(huán)之間能自動形成一個穩(wěn)定的帶壓剛性氣膜，起到密封作用，并且保證動環(huán)和靜環(huán)之間非接觸、無磨損，從而使密封具有較長的工作壽命。 (a)間隙減小時 (b)間隙增大時圖2.6 間隙變化時氣膜壓力的分布2.3 螺旋槽干氣密封的材料螺旋槽干氣密封的操作極限與密封組件的許用載荷有關，溫度和壓力極限由所用的輔助密封橡膠和端面材料決定。所以，材料的選擇對密封裝置長周期可靠運行十分重要。1）密封端面材料典型的干氣密封端面材料如碳化鎢，常常應用于離心式氣體壓縮機上。這些密封材料有著硬度高，耐

53、磨性能好，在承受高壓和大的離心力的情況下，具有小的熱變形性能，但它的韌性低，易脆和難以抵抗熱沖擊。當干氣密封端面關閉時，密封端產(chǎn)生干摩擦，造成表面受到熱處理，從而很容易出現(xiàn)裂紋和裂紋擴散和傳播，造成干氣密封失效。有資料表明，一些研究采用表面鍍鉻的不銹鋼動環(huán)和石墨靜環(huán)應用于干氣密封上也取得了很好的效果。同時，也有試驗采用表面氮化或硼化的鐵合金來產(chǎn)生一個硬的耐磨的表面來取代碳化鎢材料。盡管如此，高硬度的WC材質或碳化硅材料還是具有一些明顯的優(yōu)點，并被許多大的密封廠家所采用。干氣密封的端面材料需要有低的熱膨脹系數(shù)和高的導熱性，這樣可以有較好的熱流動性，從而降低動、靜環(huán)的熱變形。為了減小端面的壓力變形

54、，需要其材料有高彈性模量和強度系數(shù)。同時，由于壓縮機啟、停過程中密封副必然會產(chǎn)生接觸，因此密封副材料還需要有較好的耐磨性能。常用材料如表 2.1 所示30-31。表2.1 端面材料的物理特性材料密度導熱系數(shù)熱膨脹系數(shù)彈性模量抗壓強度硬度洛氏A浸Sb 石墨22.50.84204050020SiC3.17124.54501034140TiC4.530737990092WC-Ni14.5186600110089WC-CO14.5205.5400530100090Si3N43.2643.28220320120085動環(huán)材料一般選擇碳化鎢或碳化硅，其優(yōu)點是變形小、導熱系數(shù)高、自潤滑性能好和硬度高。靜環(huán)常

55、采用浸銻石墨。其材料配對情況與優(yōu)缺點見表 2.2。表2.2 動、靜環(huán)配對材料材料組合靜環(huán)動環(huán)優(yōu)缺點軟/硬浸銻石墨WC-CO抗沖擊性強、硬度略低軟/硬浸銻石墨WC-Ni抗腐蝕性強、硬度略低軟/硬浸銻石墨SiC抗腐蝕性強、比較脆隨著工業(yè)的發(fā)展，機械設備的性能要求越來越高，工況條件可能是高壓、高速、高溫等，而密封介質又可能具有強腐蝕性或者含有磨料顆粒等，在這些情況下，WC硬質合金就不是理想的密封材料了。高參數(shù)的工況條件給干氣密封的研制提出了新的要求，尤其是作為摩擦副硬質材料的質量應達到更高的標準，如耐磨損性、耐腐蝕性、機械強度、耐熱性、自潤滑性、氣密性、可加工性以與與之配對的材料無過大磨損和電化學腐蝕等。而SiC瓷幾乎滿足了上述的所有要求，是近年開發(fā)并投入使用的新的硬質密封材料，在化工、煉油、汽車、原子能、航空、航天等各個工業(yè)部門的干氣密封中，被越來越多地選為摩擦副材料?？梢哉f，為適應機械密封的發(fā)展，新的密封材料會不斷地被開發(fā)。 2）輔助密封材料輔助密封材料指的是除動、靜環(huán)配合密封以外的其余軟性密封材料，主要為O 形圈。對于輔助密封最重要的特性是溫度極限，擠壓特性和壓力相關的氣吸現(xiàn)象。在氣吸的環(huán)境下，密封腔的壓力突然下降將導致 O 形圈的變形。為了消除氣吸的損害，壓力下降率應低于 2MP