熱流固耦合下的螺旋槽干氣密封特性及失穩(wěn)分析.pdf

1、干氣密封系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵在于保證干氣密封系統(tǒng)內(nèi)氣膜動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。端面密封內(nèi)潤(rùn)滑氣膜的穩(wěn)定性與其溫度、動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)，從干氣密封系統(tǒng)熱流體非線性動(dòng)力學(xué)分析;系統(tǒng)軸向運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)分析;系統(tǒng)角向擺動(dòng)失穩(wěn)分析;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行研究，對(duì)應(yīng)不同的角度分析了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所建立模型和數(shù)值計(jì)算的正確性。
　　首先，從熱流體力學(xué)理論出發(fā)，對(duì)于氣密封系統(tǒng)內(nèi)密封氣膜的熱力過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的密封環(huán)的

2、熱彈變形，從而對(duì)密封性能的影響?；诨七吔鐥l件下的雷諾方程，不考慮密封環(huán)的變形，求解獲得氣膜壓力函數(shù)式;根據(jù)氣膜微尺度流體流動(dòng)過(guò)程中熵變方程，得到螺旋槽內(nèi)氣膜溫度場(chǎng)分布;考慮微槽道內(nèi)氣流在不同階段的熵變過(guò)程，分析了氣膜溫度場(chǎng)在不同多變指數(shù)下的分布規(guī)律;進(jìn)而在不同多變指數(shù)下計(jì)算出密封環(huán)的熱彈變形量及氣膜厚度近似表達(dá)式;求出無(wú)變形時(shí)理論泄漏量和考慮不同多變指數(shù)下熱彈變形的泄漏量，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了泄漏量在采用不同多變指數(shù)時(shí)更接近試

3、驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　其次，基于非線性振動(dòng)理論，研究了系統(tǒng)軸向非線性穩(wěn)定性問(wèn)題。建立軸向振動(dòng)下系統(tǒng)流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，求解振動(dòng)方程，分析失穩(wěn)點(diǎn)振動(dòng)非線性動(dòng)力學(xué)行為。利用數(shù)值算法找到失穩(wěn)點(diǎn)域，并在特定的螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了混沌運(yùn)動(dòng)，通過(guò)選擇合理的螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行控制混沌。得到控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)域。在特例下計(jì)算并擬合非線性氣膜軸向剛度，得到了一個(gè)含二次、三次項(xiàng)的非線性受迫振動(dòng)微分方程。在無(wú)外激勵(lì)情況下，通過(guò)求Floquet指

4、數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問(wèn)題，分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的螺旋角范圍。
　　再次，研究了系統(tǒng)角向非線性穩(wěn)定性問(wèn)題。建立了角向振動(dòng)下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，求解角向擺動(dòng)的二維振動(dòng)方程，獲得了密封系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了臨界轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與螺旋角之間的定量關(guān)系及失穩(wěn)點(diǎn)振動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為，同樣得到控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)域。同時(shí)建立了氣膜-密封環(huán)系統(tǒng)角向擺動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，將氣膜厚度表示為含有擺角的變量，在特例

5、下計(jì)算并擬合非線性氣膜角向剛度，得到了一個(gè)含二次、三次項(xiàng)的非線性受迫振動(dòng)微分方程。在無(wú)外激勵(lì)情況下，通過(guò)求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問(wèn)題，分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的螺旋角范圍。
　　最后，在密封試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)干氣密封樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，完成了氣體端面密封試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)的硬件配置。測(cè)試了泄漏量、氣膜軸向剛度和振動(dòng)位移，給出了氣體端面密封試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，并與理論計(jì)算近似值