螺旋槽干氣密封微尺度氣膜的熱動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、在大部分機(jī)械設(shè)備中，普遍應(yīng)用螺旋槽干氣密封保證其設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。早期的螺旋槽干氣密封被應(yīng)用于低速低壓的工況下，但是隨著其應(yīng)用的進(jìn)一步拓展，其工況范圍也由低速低壓到高速高壓。高速運(yùn)行時(shí)，由于其密封間隙小，密封端面間的氣膜發(fā)生干摩擦，其內(nèi)部瞬間產(chǎn)生大量的熱。而在高壓作用下，密封面受外力作用增大，從而產(chǎn)生端面的力變形。因?yàn)槲⒊叨嚷菪鄹蓺饷芊獾拿芊忾g隙為微納米級(jí)，所以微小的熱彈變形及力變形都會(huì)導(dǎo)致變形量變化，進(jìn)而影響泄漏量，從而對(duì)其

2、密封性能影響極大。對(duì)干氣密封系統(tǒng)內(nèi)的熱動(dòng)力學(xué)特性的研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但也是研究的難點(diǎn)。本文根據(jù)已經(jīng)建立的二階非線性滑移邊界條件及廣義雷諾方程，探尋干氣密封內(nèi)部氣體熱動(dòng)力學(xué)流動(dòng)規(guī)律，獲得壓力分布及泄漏量的解析表達(dá)式，揭示了微尺度干氣密封系統(tǒng)中蘊(yùn)函的復(fù)雜的熱動(dòng)力學(xué)行為。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 高壓高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，螺旋槽干氣密封內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致密封環(huán)發(fā)生熱彈變形，從而對(duì)密封性能產(chǎn)生影響。在速度滑移邊界條件下，求出螺旋槽內(nèi)

3、的氣膜壓力，進(jìn)而利用溫度與壓力之間的熵變方程，求解槽內(nèi)氣膜溫度場(chǎng)的分布。考慮氣體壓縮和膨脹過(guò)程中多變指數(shù)的不同，將氣膜溫度計(jì)算分成兩部分。由熱彈變形理論，求解密封環(huán)的變形量，獲得氣膜厚度的解析式，利用廣義雷諾方程求出理論泄漏量，并與泄漏量的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。隨著氣體從外徑流入內(nèi)徑，槽內(nèi)溫度的分布規(guī)律是先升高后降低，槽根部溫度最高。熱彈變形量與溫度變化的規(guī)律一致，而氣膜厚度的變化趨勢(shì)與之相反，泄漏量隨變形量增大而增大，有變形量的泄漏量更接近

4、于實(shí)驗(yàn)值。
　　 基于滑移邊界條件下的雷諾方程，不考慮密封環(huán)的變形，力平衡的條件下，利用迭代法求解獲得密封腔內(nèi)氣膜壓力函數(shù)式;根據(jù)微尺度流體流動(dòng)過(guò)程中壓力及轉(zhuǎn)速的變化，得到不同壓力下的密封面的轉(zhuǎn)角及變形量的分布規(guī)律，獲得相應(yīng)的氣膜厚度近似表達(dá)式。同時(shí)，在廣義雷諾方程下，求出無(wú)變形時(shí)理論泄露量。利用Maple程序求解，得到不同壓力下的密封環(huán)力變形泄漏量，并與理論值進(jìn)行比對(duì)。相同工況下，與無(wú)變形泄漏量相比，有力變形的泄漏量更接近于實(shí)

5、驗(yàn)值，從而，對(duì)密封性能產(chǎn)生影響。
　　 在不考慮密封環(huán)變形的情況下，應(yīng)用二階滑移邊界條件的雷諾方程求解獲得氣膜壓力函數(shù)式。在僅考慮力變形時(shí)，由力平衡下密封腔的力場(chǎng)分布，得到密封靜環(huán)力變形量及氣膜厚度。僅考慮熱彈變形時(shí)，由微尺度流體流動(dòng)的熵變方程，得到槽內(nèi)氣膜溫度場(chǎng)的分布、熱彈變形量及氣膜厚度。將力變形量疊加到熱彈變形過(guò)程中，利用Maple程序得到熱力耦合場(chǎng)下的變形量及氣膜厚度的解析式，用PH線性化方法、迭代法對(duì)非線性雷諾方程近似

6、求解，得到熱力耦合變形下的理論泄漏量，并將無(wú)變形、熱彈變形、力變形、熱力耦合變形四種情況下的泄漏量與實(shí)測(cè)流量比較。相同變形情況下，密封環(huán)的流量隨著介質(zhì)壓力的增大而變大;當(dāng)僅考慮力變形時(shí)，所獲得的流量大于試驗(yàn)值，而僅有熱彈變形的流量小于試驗(yàn)值，且熱彈變形的流量與試驗(yàn)值誤差較大;與其他情況相比，熱力耦合變形時(shí)的流量介于力變形與熱彈變形之間，更接近于試驗(yàn)值。在工程運(yùn)用中，考慮熱力耦合變形為優(yōu)化槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到控制流量的目的。