压缩机调控型气膜端面密封自愈技术研究

摘要

气膜端面密封的运行性能的优劣是制约大型压缩机组向高参数工况发展的重要因素，与传统的动压型气膜端面密封（简称为动压型密封）相比，调控型气膜端面密封（简称为调控型密封）不仅具有泄漏率低、耐磨性好和寿命长的优点，而且其特有的自愈调控特性使其极为契合当今化工生产大系统对设备故障诊断、在线自愈的要求。本文以自愈调控技术为主线，采用数值分析和试验验证相结合的方法，从稳态运行性能优化、运行状态识别、自愈调控方法等方面对调控型密封展开深入而系统的研究，以期指导调控型密封的设计开发与实用操作。
　　基于有限单元方法，联立求解轴向力学平衡方程和气膜压力控制方程，获得了调控型密封在实际工况条件下的运行性能参数，如平衡膜厚、气膜刚度和泄漏率等。研究了端面静压结构参数，如节流孔直径、节流孔位置、均压槽深度和均压槽宽度对密封稳态性能的影响。采用中心复合设计方法开展密封端面静压结构的优化分析，得到了以工作间隙和运行稳定性为目标函数的静压结构几何参数优选值范围，为实现调控型密封的高效可靠运转奠定了基础。
　　建立了调控型密封运转过程中运行状态的识别模型，分别从密封气膜厚度和泄漏率角度提出了密封系统运行状态的表征方法。对比研究了调控型密封和动压型密封的临界脱开性能，分析了工况条件对运行状态识别判据(临界转轴转速ncr、临界调控气压pscr和复合开启比COR)的影响，以用于指导调控型密封实际应用的操作。
　　在识别密封实时运行状态的基础上，提出了调控型密封的自愈调控方法。分析了调控气压对密封稳态性能的影响权重，从理论上研究了以调控气压为调控因子实现密封系统在线自愈的可控范围。基于气膜微扰润滑理论，研究了调控型密封的动态自愈调控规律，并得到了不同工况条件下，自愈调控方案的密封性能目标。
　　设计并制造、构建了用于试验研究的调控型密封和自愈调控系统，提出了以调控型密封平衡工作膜厚（或向内泄漏率）为调控目标的自愈调控技术路线。进行了调控型密封的主动调控试验、静压开启试验和自愈调控试验，通过对比分析理论计算和工程试验的结果，验证了本文理论研究的正确性。
　　本文对调控型密封自愈技术的研究，能够为实现调控型密封的在线监控和故障自愈奠定基础，促进调控型密封实用设计和工程应用的推广。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究的目的和意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究目的和意义

1．2 压缩机气体密封的研究背景

1．2．1 压缩机气体密封的工况特点

1．2．2 压缩机气体密封的类型

1．3 气膜端面密封的工作原理

1．3．1 非调控型密封

1．3．2 调控型密封

1．3．3 自愈调控理论

1．4 气膜端面密封的发展概况

1．4．1 非调控型密封的研究进展

1．4．2 调控型密封的研究进展

1．4．3 自愈调控技术的研究进展

1．5 本课题的主要研究内容

第二章 调控型气膜端面密封的稳态性能优化

2．1 调控型密封的性能分析模型

2．2 调控型密封的性能参数求解

2．2．1 气膜压力控制方程的建立

2．2．2 气膜压力控制方程的求解

2．2．3 基于运行工况的密封稳态性能分析

2．2．4 密封稳态性能参数的定义

2．3 调控型密封算例分析及验证

2．3．1 基于运行工况的密封稳态性能算例分析

2．3．2 基于运行工况的密封稳态性能算例验证

2．4 调控型密封的静压结构优化

2．4．1 端面静压结构的单参数优化

2．4．2 端面静压结构的中心复合设计法优化

2．5 本章小结

第三章 调控型气膜端面密封的运行状态识别

3．1 调控型密封的运行状态分析

3．1．1 运行状态不同阶段的划分

3．1．2 运行状态阶段划分的实质

3．2 调控型密封的运行状态表征

3．2．1 基于气膜厚度的运行状态表征

3．2．2 基于泄漏率的运行状态表征

3．3 调控型密封的状态识别判据

3．3．1 基于动压效应的状态识别判据ncr

3．3．2 基于静压效应的状态识别判据pscr

3．3．3 基于混合效应的状态识别判据COR

3．3 本章小结

第四章 调控型气膜端面密封的自愈调控方法

4．1 调控型密封的自愈调控原理

4．2 调控型密封的自愈调控因素

4．2．1 状态参数

4．2．2 压力调控

4．3 调控型密封的自愈调控权重

4．3．1 自愈调控权重的定义

4．3．2 自愈调控权重的特征

4．4 调控型密封的自愈调控规律

4．4．1 介质压力对自愈调控规律的影响

4．4．2 转轴转速对自愈调控规律的影响

4．5 调控型密封的自愈调控技术路线

4．6 本章小结

第五章 调控型气膜端面密封的自愈调控试验

5．1 调控型密封自愈调控试验的密封装置

5．1．1 试验用密封的结构和原理

5．1．2 试验用密封的制造和检验

5．2 调控型密封自愈调控试验的试验系统

5．2．1 试验用驱动系统

5．2．2 试验用控制系统

5．2．3 试验用测量系统

5．2．4 试验用气路系统

5．3 试验结果及讨论

5．3．1 主动调控试验研究

5．3．2 静压开启试验研究

5．3．2 自愈调控试验研究

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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