基于速度滑移和温度阶跃的螺旋槽干气密封气膜流场研究

摘要

螺旋槽干气密封被广泛应用于石化行业中，其稳定且可靠的的运行直接关系到石油化工企业的安全问题。近年来，在干气密封的密封性能方面有了更深入的研究，使干气密封的应用范围得到了极大的提高，从运行的低转速和低压力扩大到高转速和高压力。在介质压力和运转速度较高的工作状态下螺旋槽干气密封的密封端面间会产生较大的热量，从而使运行不稳定和泄漏量增大。本文通过引入螺旋槽干气密封气体流动的二阶速度滑移边界条件，对干气密封的密封端面间气膜的非线性动力学行为进行研究，求得干气密封中相应的动力学方程。同时引入温度阶跃边界条件并推导出气膜的能量微分方程。通过密封环的热弹变形理论和二阶非线性速度滑移边界条件来分析研究螺旋槽干气密封的密封性能，本文主要的研究内容和结论如下:
　　在速度滑移边界条件下，求出螺旋槽干气密封密封端面间气膜的压力和速度，然后推导出气膜的无热耗散能量方程及有热耗散能量方程，进而利用气膜的压力、速度和能量方程，通过Maple和Matlab软件求解槽内气膜的温度分布。然后由气膜温度对密封环变形的影响，求出密封环的热变形量，从而求出干气密封密封端面间气膜的厚度。最后利用由雷诺方程推导出的泄漏量方程求得螺旋槽干气密封的理论泄漏量，并将理论泄漏量与实验测得的泄漏量作比较。研究结果表明:随着密封气体从密封环的外径流入内径，干气密封气膜的温度先升高，当气体到达槽根部附近时温度达到最高，然后再随着气体的继续流入气膜温度逐渐降低;密封环由温度引起的几何变形量与气膜温度的变化一致，然而密封端面间气膜厚度的分布与密封环的热弹变形量相反;随着密封环热弹变形量的增加，干气密封中的泄漏量也随之增大;考虑热弹变形下的泄漏量与实验测得泄漏量数值较接近;热耗散下考虑热弹变形的泄漏量最接近于实验值。
　　根据速度滑移边界条件，求出气膜压力和气膜速度;然后推导出气膜的能量微分方程，同时引入温度阶跃边界条件，进而利用气膜的压力、速度和能量方程，通过Matlab软件数值计算得到三维坐标下气膜的温度分布。研究结果表明:随着气体从密封环外径流入内径，气膜速度的分布规律是先降低后升高，槽根部周围速度较低;随着密封气体从密封环的外径流入内径，干气密封气膜的温度先升高，当气体到达槽根部附近时温度达到最高，然后再随着气体的继续流入气膜温度逐渐降低，另外气膜厚度方向上气膜中间位置温度较高;考虑温度阶跃下的温度分布与不考虑温度阶跃下的温度分布相差较小，因此在对干气密封密封端面间气膜温度场研究时可以忽略温度阶跃对其的影响。
　　在流体的二阶速度滑移边界条件下对雷诺方程进行推导，得出修正的广义雷诺方程，并通过PH线性化法和迭代法对修正型雷诺方程进行求解，从而推导出气膜的开启力方程。然后由气膜温度对密封环变形的影响，求出密封环的热弹变形量，从而得到干气密封密封端面间气膜的厚度。进而利用气膜刚度为开启力与气膜厚度之比求出气膜刚度。然后通过建立热弹变形下气膜刚度和气体泄漏量之间的协调函数，对刚漏比目标函数进行数值计算，从而对干气密封的螺旋角进行优化，得到特定工况下相对应的最优螺旋角。研究结果表明:随着密封气体从密封环的外径流入内径，干气密封的刚漏比先增大，当气体到达螺旋槽根部附近时达到最大值，随着气体的继续流入刚漏比减小;刚漏比随着螺旋角的变化成非线性趋势，在刚漏比最大时得到优化的最佳螺旋角。

目录

声明

摘要

插图索引

符号注释表

第1章 绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 国内外研究历史与现状形式

1．2．1 微纳米通道内流体动力学性能研究

1．2．2 微尺度效应在干气密封动力学中的应用

1．3 提出研究干气密封微尺度热流体力学的工程背景

1．4 课题来源与主要研究工作

1．5 课题的创新点与关键性问题

第2章 螺旋槽干气密封的基本理论

2．1 螺旋槽干气密封的结构及工作原理

2．2 干气密封力学模型和受力分析

2．3 微尺度效应对螺旋槽干气密封流场和温度场的影响

2．4 螺旋槽干气密封槽型几何参数和密封性能参数

2．5 螺旋槽干气密封的优缺点

第3章 基于速度滑移和热弹变形理论的螺旋槽干气密封泄漏量分析

3．1 螺旋槽干气密封气膜动压求解

3．2 气膜速度

3．3 干气密封气膜能量方程及热弹变形

3．3．1 干气密封气膜的能量方程

3．3．2 干气密封密封环热弹变形

3．4 干气密封的气膜厚度和泄漏量

3．4．1 干气密封气膜厚度计算

3．4．2 热弹变形下泄漏量计算

3．5 实例计算分析与实验验证

3．5．1 无变形动压计算

3．5．2 气膜温度计算

3．5．3 热弹变形下气膜厚度计算

3．5．4 泄漏量计算与测试

3．6 本章小结

第4章 螺旋槽干气密封微尺度气膜的温度场计算

4．1 干气密封气膜速度和压力

4．2 气膜能量微分方程

4．3 实例计算分析

4．3．1 干气密封气膜厚度计算

4．3．2 干气密封气膜径向速度分布

4．3．3 干气密封气膜温度分布

4．4 本章小结

第5章 热耗散变形下螺旋槽干气密封槽型优化

5．1 干气密封气膜压力和气膜速度

5．2 干气密封耗散下气膜能量方程和热弹变形

5．3 干气密封热弹变形下泄漏量

5．3．1 气膜厚度计算

5．3．2 热弹变形下泄漏量计算

5．4 热弹变形下刚度与泄漏量之比

5．5 干气密封螺旋角和槽深比优化

5．5．1 干气密封螺旋角优化

5．5．2 干气密封槽深比优化

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B 螺旋槽干气密封微尺度气膜特性的计算程序