典型螺旋槽端面干气密封开启性能研究

摘要

螺旋槽端面干气密封(Spiralgroovedrygasseal，缩写为S-DGS)因其在高速下气膜刚度大、运行稳定而被广泛应用于高速离心压缩机、膨胀机及透平机等多种高速旋转设备中，但因普通S-DGS在低速低压工况下仍存在开启力不足、端面开启困难的问题，严重制约了干气密封在旋转机械中的推广应用。因此，本论文针对三种具有相同螺旋型线但型槽各异的典型S-DGS在低速低压工况下的开启问题开展理论与实验研究，对提升S-DGS的开启性能以及完善低速低压下S-DGS的设计理论，都具有重要意义。
　　 首先，基于气体混合润滑理论，考虑密封端面粗糙度效应和端面间气体滑移流效应，建立了典型螺旋型线型槽端面S-DGS开启性能的理论分析模型，定义了典型螺旋槽端面的几何结构参数与开启性能参数，并与相关文献值进行了对比验证。结果表明，本文所建理论模型和采用的求解方法正确可靠，可保证计算结果的合理性。
　　 其次，针对螺旋槽、雁型槽和带内环槽的螺旋槽三种具有相同螺旋型线但型槽各异的典型S-DGS，开展了动压开启性能的研究。通过分析典型螺旋槽端面在不同工况下的气膜压力分布，研究了端面几何结构参数、密封介质压力、平衡比与弹簧比压对干气密封动压开启性能的影响，并进行了实验验证。结果表明，型槽结构的细微差别对干气密封端面气膜压力分布产生较大影响，平衡比、弹簧比压和密封压力对干气密封的动压开启性能影响较大;在相同工况下，雁型槽相对其他两种型槽具有更为优异的开启性能。
　　 最后，在等深螺旋槽的基础上对槽底结构进行变深优化，提出了收敛型锥度、收敛型阶梯、发散型锥度和发散性阶梯四种槽底变深结构，并与等深槽的开启性能进行了对比研究。结果表明，在低速低压工况下，槽底变深结构可提高型槽端面气膜承载力和开启稳定性，槽底阶梯变深结构与槽底线性渐变结构具有十分相似的开启性能。
　　 本论文通过对典型S-DGS端面开启性能的数值模拟与实验研究，进一步完善了低速低压下DGS的设计理论，对于扩大典型S-DGS在工业领域中的应用范围、指导低速低压工况下S-DGS的工程应用具有重要理论意义与工程指导价值。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 干气密封(DGS)的研究现状

1．2．2 DGS临界开启性能的研究现状

1．2．3 考虑表面粗糙度效应的DGS研究现状

1．2．4 考虑气体滑移流效应的DGS研究现状

1．3 研究内容

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 典型螺旋槽DGS开启性能的理论模型

2．1 螺旋槽DGS端面开启机理

2．2 典型螺旋槽端面DGS数学模型

2．2．1 密封端面几何参数定义

2．2．2 DGS开启性能的理论模型

2．2．3 控制方程无量纲化

2．2．4 轴向力

2．2．5 端面开启判断准则和开启性能参数

2．3 DGS端面气膜压力求解

2．3．1 计算单元网格划分

2．3．2 差分网格密度

2．3．3 计算程序框图

2．3．4 程序可靠性验证

2．4 本章小结

第3章 典型螺旋槽端面干气密封动压开启性能

3．1 端面气膜压力分布

3．2 开启过程密封特性

3．3 端面型槽几何参数对开启性能的影响

3．3．1 槽坝比

3．3．2 槽台比

3．3．3 槽深

3．3．4 槽数

3．3．5 螺旋角

3．3．6 环颈宽比

3．3．7 环颈长比

3．4 平衡比对开启性能的影响

3．5 弹簧比压对开启性能的影响

3．6 密封压力对开启性能的影响

3．7 本章小结

第4章 槽底变深对干气密封开启性能的影响

4．1 典型螺旋槽槽底变深结构计算模型

4．2 变深槽端面膜压分布对比

4．2．1 S-DGS槽底变深结构气膜压力分布

4．2．2 AS-DGS槽底变深结构气膜压力分布

4．2．3 GS-DGS槽底变深结构气膜压力分布

4．3 槽底变深结构对开启性能影响的数值分析

4．3．1 相对变深坡度对S-DGS开启性能的影响

4．3．2 相对变深坡度对AS-DGS开启性能的影响

4．3．3 相对变深坡度对GS-DGS开启性能的影响

4．3．4 环颈深度对典型螺旋槽开启性能的影响

4．4 密封压力对变深槽开启性能的影响

4．4．1 密封压力对S-DGS开启性能的影响

4．4．2 密封压力对AS-DGS开启性能的影响

4．4．3 密封压力对GS-DGS开启性能的影响

4．5 本章小结

第5章 典型螺旋槽端面干气密封开启性能实验研究

5．1 实验装置

5．2 试件制备

5．3 实验方案与实验步骤

5．3．1 实验方案

5．3．2 膜厚测量

5．3．3 实验步骤

5．4 实验结果分析

5．4．1 端面开启性能曲线

5．4．2 密封压力的影响

5．4．3 转速的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要完成的工作

6．2 结论

6．3 创新点

6．4 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果