（机械电子工程专业论文）静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析.pdf

嬲 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作考签名：，司圣上一 日期：2 0 t l 牟歹月7 司 指导教师签名：专每f 序佞 日期d 口1 1 s ，； 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：，司圣厶 日期：2 川辱歹月7 司 指导教师签名：牟了伟复 e l 期订s ，；7 西华大学硕士学位论文 摘要 文章依据国内外相关文献资料，对静压干气密封的发展状况、工作原理和典型结构 进行了介绍；分析了节流孔特性对静压干气密封性能的影响，并对静压干气密封端面流 场进行了数值计算。 根据静压气体润滑止推轴承理论，建立了小孔节流式的稳态静压型气体润滑雷诺方 程式和节流孔气体流量控制方程。为提高静压干气密封性能，将节流孔流量项引入到气 体润滑雷诺方程式，建立了改进的n s 方程。并推导了端面开启力和气膜刚度等主要参 数的计算公式。 利用泛函求极值算法和有限元法，用m a t l a b 编制相应的计算程序，在节流孔直 径和端面间隙变化的条件下进行数值计算。重点分析了气膜厚度、气源压力、节流孔个 数和直径对端面开启力和气膜刚度的影响，以及端面压力分布情况。计算结果表明：密 封气在流经节流孔后形成显著的压力降，气膜刚度随节流孔径增大而减小，随气源压力 增大而增大；端面压力在节流孔处最高，向四周逐渐下降；开启力总体随端面间隙增大 而减小，随气源压力增大而增大，端面间隙在3 岬1 3 岬左右时，开启力随间隙增大 而迅速减小，端面气膜具有较大的刚度。 根据国内外关于密封环温度场、密封环变形、和密封环优化等方面的研究状况与方 法的相关资料，将热一结构耦合理论分析确定为静压干气密封端面热分析的研究方法。 通过对热平衡模型的假设和简化，建立了二维稳态柱坐标下无内热源的固体导热微 分方程，应用a n s y s 软件建立静压干气密封动、静环温度场模型，并对密封环温度场 进行求解，获得了静压干气密封动、静环的温度分布规律；把获得的温度分布结果作为 热一结构耦合分析过程中的载荷施加于密封环上，对静压干气密封动、静环进行热一结 构耦合变形的求解，获得热变形规律。通过搅拌反应釜中密封环端面热变形的仿真计算， 分析工况参数、材料参数、结构参数对动静环端面轴向与径向热变形量、轴向变形锥度 的影响，并分析了影响热变形的主要因素；对干气密封环常见的优化方法进行了讨论， 依据动静环热变形补偿理论，提出了优化方案，并将优化后的密封环重新进行热一结构 耦合变形分析，验证了该优化方案的可行性。 关键词：节流孔特性；静压干气密封；有限元法；气膜刚度；温度场；热交形 静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d i n t r o d u c t i o ni sd o n eo nt h e d e v e l o p m e n ts t a t u s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h et y p i c a ls t r u c t u r eo fs t a t i cp r e s s u r ed r y g a s s e a l i n f l u e n c eo ft h eo r i f i c ec h a r a c t e r i s t i e so nt h es e a lp e r f o r m a n c ei sa n a l y s e da n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u to nt h ee n df a c ef l o wf i e l d b a s e do nt h es t a t i cg a s l u b r i c a t e dt h r u s tb e a r i n gt h e o r y , t h eg a sl u b r i c a t i o nr e y n o l d s e q u a t i o no fs t a b l es t a t es t a t i cp r e s s u r ea n dt h eo r i f i c ef l o wc o n t r o le q u a t i o na r eb u i l t i no r d e r t oi m p r o v e 也es e a lp e r f o r m a n c e 也eo r i f i c ef l o wt e r mi si n t r o d u c e dt ot h er e y n o l d se q u a t i o n a n da ni m p r o v e dn se q u a t i o ni se s t a b l i s h e d a n df o r m u l a so ft h em a i np a r a m e t e r so ft h e o p e n i n gf o r c ea n dt h eg a sf i l ms t i f f n e s sa r ed e r i v e d c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a m i s c o m p i l e d i nm 协t l a bu s i n gt h ef u n c t i o n a l e x t r e m u ma l g o r i t h ma n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n si sc a r r i e do u t u n d e rc h a n g e so ft h eo r i f i c ed i a m e t e ra n dt h ee n dg a p e m p h a s i z e da n a l y s i si sd o n eo nt h e i n f l u e n c eo fg a sf i l mt h i c k n e s s ，s o u r c ep r e s s u r e ，o r i f i c en u m b e ra n dd i a m e t e ro nt h eo p e n i n g f o r c ea n df i l ms t i f f n e s s ，a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ee n df a c e t h er e s u l t ss h o wt h a ta s i g n i f i c a n tp r e s s u r ed r o pi sf o r m e da st h es e a lg a sf l o w st h r o u g ht h eo r i f i c e ，t h ef i l ms t i f f n e s s d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fo r i f i c ed i a m e t e ra n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs o u r c e p r e s s u r e ；p r e s s u r eo nt h ee n di sm a x i m u ma r o u n dt h eo r i f i c ea n dd e c r e a s e sg r a d u a l l yt ot h e s u r r o u n d i n g ；t h eo p e n i n gf o r c ed e c r e a s e sa st h ee n dg a pi n c r e a s e sa n di n c r e a s e sw i t ht h e s o u r c ep r e s s u r ei n c r e a s e s w h e nt h ef a c ec l e a r a n c ei nt h er a n g e3 - 13 1 u n ，t h eo p e n i n gf o r c e d e c r e a s e sr a p i d l yw i t hi n c r e a s i n gc l e a r a n c ea n dw i t hal a r g e rg a sf i l ms t i f f n e s so nt h ee n d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hc o n d i t i o n sa n dm e t h o d so na s p e c t so fs e a lt h e r m a lf i e l d ，s e a l d e f o r m a t i o na n do p t i m i z a t i o nb yt h er e l a t e dd o m e s t i ca n do v e r s e a sd a t a ，t h eh e a t - s t r u c t u r e c o u p l i n gt h e o r yi se s t a b l i s h e da st h er e s e a r c hm e t h o do ft h e r m a la n a l y s i so nt h ee n df a c eo f s t a t i cp r e s s u r ed r y g a ss e a l b a s e do nt h ea s s u m p t i o na n ds i m p l i f i c a t i o no ft h eh e a tb a l a n c em o d e l ，t h es o l i d c o n d u c t i o nd i f f e r e n c i a le q u a t i o nw i t h o u ti n t e r n a lh e ：a ts o b r c ei se s t a b l i s h e di nt h es t a b l es t a t e t w od i m e n s i o n a lc y l i n d r i c a lc o o r d i n a r e s t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo ft h er o t a r ya n ds t a t i c r i n g si sb u i l ti na n s y sa n ds o l v e dt oo b t a i n 也et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nr u l e si n 也er i n g s a n dt h et h e r m a l s t r u c t u r a lc o u p l e dd e f o r m a t i o ni ss o l v e dt og e tt h et h e r m a ld e f o r m a t i o nr u l e s t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h es e a lf a c et h e r m a ld e f o r m a t i o ni nt h es t i r r e dt a n kr e a c t o r , a n a l y s i si s d o n eo nt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n , t h em a t e r i a l a n dt h es t r u c t u r eo i lt h ea x i a la n dr a d i a lt l l e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h ed e f o r m a t i o nc o n i c i t yo n t h ee n df a c e a n do nt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h e r m a ld e f o r m a t i o n d i s c u s s i o ni sc a r r i e do u t o n 也ec o m m o n l yu s e do p t i m i z a t i o nm e t h o da n do p t i m i z a t i o ns c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h et h e r m a ld e f o r m a t i o nc o m p e n s a t i o nt h e o r yo nr o t a t i n ga n ds t a t i cr i n g ，t h e o p t i m i z e dr i n gi sa n a l y s e da g a i nu s i n gt h et h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l e dd e f o r m a t i o nm e t h o d v e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h i so p t i m i z a t i o ns c h e m e i i 西华大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：o r i f i c ec h a r a c t e r i s t i c s ；s t a t i cp r e s s u r ed r yg a ss e a l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； g a sf i l ms t i f f n e s s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a ld e f o r m a t i o n 静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 - 1问题的提出1 1 2 静压干气密封技术研究进展1 1 3 密封环温度场研究进展3 1 4 密封环热变形研究进展4 1 5 主要研究内容4 1 6 本章小结5 2 静压干气密封端面控制方程6 2 1 节流孔原理6 2 2 密封端面控制方程7 2 2 1 静压干气密封的工作原理及结构7 2 2 2 静压干气密封的几何模型8 2 2 3 基本假设9 2 2 4 静压干气密封控制方程的建立1 0 2 2 5 节流孔流量计算1 1 2 2 6 边界条件1 2 2 2 7 计算模型中的边界条件1 4 2 3 本章小结1 6 3 静压干气密封端面控制方程数值计算1 7 3 1 变分原理1 7 3 1 1 泛函1 7 3 ，1 2 泛函的变分运算1 7 3 2 静压干气密封控制方程的变分提法1 9 3 3 端面控制方程的有限单元解法1 9 3 3 1 有限单元的划分及插值函数2 0 3 3 2 端面控制方程的有限单元表示法2 2 3 3 3 端面控制方程组的解法2 6 3 3 4 端面开启力与气膜刚度2 7 3 4 数值模拟与结果分析2 8 3 4 1 算例验证2 8 3 4 2 节流孔特性结果分析3 0 西华大学硕士学位论文 3 5 本章小结3 5 4 密封环热力学计算3 6 4 1 问题假设与温度场模型：3 6 4 2 温度场边界条件3 7 4 3 密封动静环热边界条件的确定3 8 4 3 1 端面间气体粘性剪切热的计算3 8 4 3 2 搅拌热的计算3 8 4 3 3 动静环热量分配系数计算3 9 4 3 4 对流换热系数4 0 4 4 有限元热分析方法4 0 4 4 1 稳态热分析4 l 4 4 2 热变形分析4 1 4 4 3 热变形求解方法4 2 4 5 本章小结4 4 5 密封环温度场和热变形分析4 5 5 1 密封环温度场结果分析4 5 5 1 1固定转速下密封环温度场分析4 6 5 1 2 不同转速下密封环端面温度场分析4 9 5 2 密封环热变形结果分析5 1 5 2 1 相同转速下密封环热变形分析5 2 5 2 2 热变形影响因素分析5 4 5 3 本章小结5 9 6 密封环热变形优化设计6 0 6 1 密封环优化方法6 0 6 2 密封环端面热变形模型6 0 6 3 密封环优化设计模拟实验6 1 6 4 本章小结6 2 结论6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 8 致 射6 9 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1问题的提出 干气密封是目前迅速发展的机械密封技术，被广泛应用于高速回转设备上。经过实 践和理论分析发现，需要在高转速条件下才能保证干气密封的稳定性，才能实现端面的 非接触式运转，否则，密封性能将下降，甚至无法正常工作。随着社会的发展和要求， 干气密封开始应用于低转速设备上，如泵、反应釜等。研制一种不依赖于机组主轴转速 的干气密封产品是目前密封技术研究的发展趋势，机组转速的高、低都不影响干气密封 稳定正常地运转，将使干气密封得到更广泛的应用。特别是在低速运转时，干气密封的 流体动压效应相对较弱，如何保证机组在低速条件下，密封端面既能分离，又能在其间 维持连续、稳定的气体润滑膜是密封的关键所在。刘飞、余建平等人【l 刃应用静压气体润 滑轴承理论原理，研究了一种完全脱离机组转速限制的新型静压干气密封。余建平【2 】等 人基于稳态动压型润滑方程研究了端面开槽长度比、开槽宽度比、开槽深度、节流孔直 径、端面粗糙度和端面间隙等对静压干气密封性能的影响，难以真实考察在稳态静压型 润滑方程下的密封性能。节流孔特性是影响气膜稳定性和连续性的重要因素之一，有必 要针对节流孔特性作深入的分析，而节流孔流量给问题的求解和分析带来了很大的困 难，因此在对低速运转的干气密封进行研究分析时，把节流孔流量项引入到雷诺方程， 应用稳态静压型润滑方程重点研究节流孔特性对静压干气端面密封性能的影响，为静压 干气密封的结构设计提供依据。 由于工业的迅速发展，密封的工作条件趋于高温、高速、高压，在工程应用中，密 封失效的事件经常发生。导致密封失效的原因有很多，其中比较重要的原因之一就是密 封环端面发生变形。对于密封环端面变形的问题，有不少的研究工作者作了大量的工作， 基本上都是集中在计算接触式机械密封端面的变形上，很少涉及到干气密封在不同转速 下端面的热变形，尤其是静压干气密封端面的热变形。在研究干气密封端面热变形时， 主要有热一结构耦合变形的计算和密封端面变形对密封性能的影响。端面的热变形不仅 导致泄漏量增加和端面接触，甚至使干气密封短期内失效报废，缩短了使用寿命。李娜 嘲等人应用有限元法对动压型t 型槽干气密封的温度场和密封环热变形进行了分析与优 化，但都未对静压型干气密封作出分析。因此，有必要对静压型干气密封端面的温度场 和热变形作深入的计算分析，为静压干气密封的设计和应用提供理论依据。 1 2 静压干气密封技术研究进展 静压干气密封是在静压气体润滑止推轴承理论的基础上发展起来的。不少研究工作 者在静压气体轴承方面进行了大量的研究。刘墩等人撰写的静压气体润滑【4 】对当时 的静压气体润滑技术作了详细的归纳和总结，全面地阐述了气体静压轴承。近些年来， 静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析 随着气体静压轴承理论的成熟和技术的不断深入，发表了许多涉及气体静压轴承方面的 文献和资料，而对静压干气密封技术的研究有直接借鉴作用的是涉及气体静压止推轴承 方面的文献。 在国外，1 9 9 6 年，m o h a m e df o u r k a ，m a r cb o n i s 等【5 】以有限元理论为基础，对非线 性模型的空气止推轴承的稳定性进行了计算和分析，计算所得的结果与试验结果基本上 一致。1 9 9 8 年，y b e k w a n 和j c o r b e a t 6 】在多孔质空气静压止推轴承的问题上，考虑速 度滑移和惯性对其性能的影响时，给出了新的思考方法。2 0 0 0 年，j a w r e nl i n t 7 】研究了 表面粗糙度对补偿式流体静压止推轴承中动态刚度和阻尼特性的影响。2 0 0 2 年，n o a h d m a n r i n g 等人【8 】研究了不可压缩流体静压止推轴承线性变形对其性能的影响规律。 在国内，1 9 9 9 年，董吉洪【9 】从线性气源假设出发，推导出了圆盘形平面止推气体轴 承承载能力的工程计算公式，为计算圆盘形平面止推气体轴承的设计找到了途径。2 0 0 0 年，薛龙等【l o 】建立了真空平衡型气体静压止推轴承的承载能力和刚度的数学模型，为定 量分析其特性提供了理论依据，并在2 0 0 1 年进一步探讨了该数学模型【1 1 1 ，并应用计算 机仿真和实验的方法进行分析验证，为定量分析其特性提供了设计依据。同年，侯予、 熊联友等人【1 2 】全面地研究了多排环形供气孔静压止推气体轴承，分析了不同参数对止 推轴承性能的影响，研究所得的结果表明，应用多排环形供气孔以后，轴承的静刚度性 能有较大的提高。2 0 0 2 年，杨铁林，闰庆辉【l3 】以气体雷诺方程为基础，依据静压止推 轴承的特点，利用g a l e r k i n 有限单元法推导了关于润滑气膜压力分布的有限元方程，给 出了气膜边界条件和稳态雷诺方程的有限元方法求解过程。同年，杜建军、刘墩等【1 4 】 在对气体静压轴颈止推轴承进行离散化的过程中，对压力分布方程式作了简化计算，给 出了静态特性，针对结构工艺、狭缝宽度和轴承间隙等相关因素对径向和轴向承载性能 的影响作了分析，并通过实测值对计算结果进行了验证。2 0 0 3 年，包刚等人【”】从二维 雷诺方程出发，运用有限元法对圆盘多供气孔气体静压止推轴承的稳态压力场进行了求 解，并在一定程度上研究了不同参数对轴承性能的影响。2 0 0 5 年，杜建军，姚英学等人 u 6 】以有限元理论为基础，分析了狭缝节流气体静压轴径止推串联型轴承的静态特性和节 流狭缝宽度、三棱形圆度误差和气膜厚度等相关因素对径向和轴向承载性能的影响。同 年，几位学者【l7 】又以有限元理论为基础，重点分析了轴颈圆度误差及不同安装角度、偏 心和狭缝宽度误差对涡流力矩的影响。2 0 0 5 年，孙西芝掣哺j 学者从线性气源假设出发， 对空气静压导轨的解析计算公式作了推导，并运用该计算公式针对导轨参数对静态性能 的影响作了分析研究，为设计空气静压导轨找到了一种快捷的方法。2 0 0 6 年，张君安等 u 9 】在研究空气推力轴承气膜压力分布问题时，研制了一种新型气体润滑止推轴承性能测 试试验台，并对实验结果与气体压力分布的数值分析作了分析比较，结果十分吻合。2 0 0 7 年，郭良斌【2 0 】采用工程计算方法以最大静刚度为设计准则，在研究多供气孔环面节流静 压圆盘止推气体轴承几何参数的过程中，全面分析了轴承静态性能的影响因素：供气孔 西华大学硕士学位论文 数和供气孔直径参数。同年，王靖、张力等【2 l 】以静压气体润滑的基本原理为理论基础， 研究了气体轴承的结构和运行参数，得到了径向轴承和止推轴承的设计参数。2 0 0 8 年， 余建平【2 】基于sf u j i w a r a 和tf u s e 设计的静压干气密封结构，采用有限差分数值计算方 法求解气体控制方程，研究了结构参数和操作参数对密封性能的影响规律，并分析了动 环受到微小轴向扰动后气膜的变化规律和静环的振动规律。2 0 1 0 年刘飞、王和顺【l 】等人 深入地研究了一种在各种转速下都能稳定运行的新型气体静压干气密封，适应所有转速 的主轴动密封。找出了影响这种类型干气密封稳定性的因素，为静压干气密封的设计和 运行提供了必要的理论依据。 1 3 密封环温度场研究进展 密封环热变形的研究是建立在密封环温度场计算的基础之上，其计算方法大致分为 三种：解析法、有限元法和有限差分法，其中有限元法的应用较为普遍。 在国外，2 0 世纪7 0 年代，g a b r i e l l 2 2 】在对密封环温度场进行分析时提出了主轴转 速、密封腔压力、介质粘度及密封环材料等是影响密封环温度场的主要因素。同期， c h i n h s i u 研究了接触式机械密封环热变形，认为导致密封失效的主要原因是密封环热 变形，密封环热变形会导致密封端面形成发散的间隙。9 0 年代初，e t s i o n 和p a s c o v i c i 2 3 】 等人首次解决了考虑未对准端面对端面温度分布的影响，从热流体动力学出发建立了数 学模型。针对密封问题作了如下假设：1 ) 密封环端面间的流体为粘度牛顿流体；2 ) 流 体充满整个密封端面间隙，不考虑气蚀现象；3 ) 动、静环表面流体温度和导热系数都 为已知量；4 ) 静环同密封流体之间的对流换热充分小于动环之间的对流换热，可以忽 略；5 ) 由密封环吸收流体膜产生的全部热量。在以上假设的基础上，简化求解能量方 程，得到压力和温度分布。得出由于未对准产生的周向温度变化可以忽略不计。9 0 年 代末，p a r c i z 2 4 】等人为分析械密封腔内的流场和动静环的温度分布规律建立了二维轴对 称计算模型，该模型可以用来计算密封件湿表面的努塞尔数( n u 数) 。 在国内，在机械密封端面温度分布方面作了大量的研究。李克永【2 5 】、李红【2 6 】等利用 解析法建立了机械密封环稳态温度场模型，但计算过程不符合实际情况，计算误差较大， 也未提出对流传热系数的计算方法。陈文毅【2 7 1 、法元金 2 8 】从变分法原理出发推导了温 度场的有限元计算模型，并对机械密封环的稳态温度场进行了分析。法元金针对三角形 等参单元的有限元模型编制了f o r t r a n 程序，用以求解不同热边界条件的机械密封温度 场问题，提出了适合计算内流式机械密封外径处的对流传热系数的计算方法。陈文毅针 对3 结点单元有限元模型，采用试验值的对流传热系数，把机械密封动环、静环及其 环座作为一个整体进行计算，避免了热量在动环、静环上的分配比问题的计算。张书贵 【2 9 】应用有限元法对机械密封的稳态温度场进行了计算。采用整体法计算温度场，避免了 计算密封环间热量分配的问题，提出了摩擦热和对流换热系数的计算方法。顾永泉【3 0 】 利用有限差分法对机械密封的温度场进行了计算，该方法在计算复杂端面的机械密封 3 静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析 时，由于计算过程太复杂，不利于计算机处理。王胜掣3 u 应用有限元法对上游泵送机械 密封进行了计算；刘雨川3 2 1 应用有限差分法计算和分析了气膜密封温度场，其计算结果 误差较大。 1 4 密封环热变形研究进展 干气端面密封变形的主要形式有热变形和力变形。计算机械密封变形的主要方法有 圆环理论、边界元法和有限元法【3 3 1 ，而圆环理论只适合计算较简单的密封环结构。 在国外， 1 9 7 6 年，l i 【3 4 】利用有限元法计算了机械密封的热变形，发现热变形使得 平行的密封端面产生一定锥度，使得密封端面在内径处磨损加剧，故对热变形必须要合 理控制。1 9 8 1 年，m a y e r t 3 5 1 运用圆环理论法对机械密封的变形问题进行了分析，提出力 和温度是影响变形的两个主要因素。并把力和温度梯度的影响分解为径向和轴向的影 响。1 9 8 6 年，d o u s t t 3 6 】应用边界元法对机械密封的变形进行了分析，以边界元法的原理 为基础提出了机械密封变形的计算模型。通过试验对计算结果进行验证，发现实验值与 计算值比较相符。1 9 9 0 年，博格曼公司的z e u s t 3 7 】针对气体润滑和液体润滑非接触端面 密封能量消耗问题进行了分析。提出了密封工作中搅拌热和剪切热的计算方法，并应用 有限元分析理论验证了能量方程的正确性。p a r ma r t 3 8 】研究了对机械密封温度变形的控 制，主要分析了锥度对温度变形的影响。提出消除压力锥度和热锥度能够使密封端面保 持平行，并且可以得到最稳定的密封特性。1 9 9 2 年，l e b e c k t 3 9 】对引起端面变形的各种 载荷进行了分析，并对端面变形的几种计算方法进行了比较，对圆环有限元方法作了详 细阐述。 在国内，张书贵【2 9 】在全面考虑机械密封的力变形和热变形的情况下。通过计算发现 热变形是导致机械密封变形的主要形式，并分析了热变形、力变形与密封环的结构、材 料及使用条件之间的关系。王美华m 】运用三角形有限单元法分析了人字形螺旋槽的热变 形和力变形，并应用s a p 5 一线性系统静力和动力响应结构分析有限元程序来计算密封 环的力变形、热变形。李娜【3 】应用有限元法对动压型t 型槽干气密封热变形进行了分析 与优化，得出了端面温度场分布规律和热变形规律，找出了影响端面热变形的主要因素， 并提出了优化方案。 1 5 主要研究内容 本文研究内容来源于四川省教育厅自然科学重点项目“静压干气密封研究” ( n o 0 9 2 0 2 0 3 2 ) 。对节流孔特性的研究是整个静压干气密封系统的关键所在，同时，密 封环的温度场和热变形分布规律对密封性能也有很大的影响。具体研究内容有： ( 1 ) 较详细地介绍静压干气密封的发展状况。 ( 2 ) 对静压干气密封的工作原理和典型结构进行分析，将节流孔流量引入到气体 润滑雷诺方程，建立改进后的端面气膜控制方程。 4 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 利用泛函求极值法和有限元法求解端面气膜控制方程，给出详细的求解步骤， 并编制m a t l a b 计算程序。 ( 4 ) 分析静压干气密封动静环端面气膜压力分布规律以及气膜刚度。 ( 5 ) 分析节流孔直径、孔的数量和气源压力对密封性能的影响。 ( 6 ) 介绍静压干气密封热力学计算模型和有限元软件研究方法。 ( 7 ) 分析静压干气密封动静环温度场分布规律和热变形规律，找出影响温度变化 和热变形的主要因素，并对密封环热变形提出优化方案。 1 6 本章小结 结合国内外相关资料，对静压干气密封技术的研究进展进行了较详细的叙述，分析 了密封环温度场和热变形的研究状况和方法，并确定将热结构耦合理论分析作为本 文热分析部分的研究方法。确定了本文研究的主要内容。 的数值不受气膜厚度( 工作面间隙) h 的影响，图2 1 中( b ) 为环形孔式节流器，其节 流截面是以气膜厚度h 为高的小孔圆周形成的环形面，面积为a = m t h 。当m t h d 2 4 h 。对于气腔的深 度h 。应满足：使节流孔圆周在气腔内围城的环形面积蒯( + j j l ) 大于节流孔横截面面积 万d 2 4 ，或者h l a 4 一h ，所以，只有同时满足： d l d 2 4 h 和 l a 4 - h ( 2 1 ) 才能保证节流孔横截面为最小面积，才是简单孔节流式。由式( 2 1 ) 可以看出， 气腔直径d 。和深度h 。都与气膜厚度h 有关。正常工作间隙下，本为简单孔节流方式的小 孔直径d ，当工作间隙h 小到某一值之后，就有可能破坏了式( 2 1 ) 的关系，使节流形 6 西华大学硕士学位论文 式转变为环形孔节流，这种情况是应当避免的。 2 2 密封端面控制方程 2 2 1静压干气密封的工作原理及结构 静压干气密封的基础理论主要来源于静压气体润滑止推轴承理论。它的工作原理就 是利用气体的静压作用，在端面之间形成稳定的气膜来提供较高的端面开启力，使端面 实现非接触。根据润滑气体提供的方式，可分为自加压式静压干气密封和外加压式静压 干气密封两种形式。 对于外加压式静压干气密封，典型结构如图2 2 所示【4 ，其优点是：( 1 ) 密封性能 比较稳定，可靠性高，不容易受到介质压力波动的影响；( 2 ) 具有很好的气膜刚度。通 过供气装置和节流装置可以使得气膜刚度无限大；( 3 ) 良好的密封性能不依赖于密封的 转速；( 4 ) 能够实现重型设备在完全气膜润滑条件下启动。缺点是：静压气体由外部气 源提供，额外增加了气源设备，结构复杂，加工困难。 蕃上 篇l 龆， 图2 2 外加压式静压干气密封结构图 f i g 2 2 e x t e r n a ls t a t i cp r e s s u r et y p eg a ss e a ls t r u c t u r e 对于自加压式静压干气密封，典型结构如图2 3 所示【4 2 】，其优点是：在密封环的背 部开有提供气体的通道，产生静压作用的气体是设备输送的介质本身，不需要提供额外 的气源设备，加工制造容易；缺点是：密封性能容易受到介质压力波动的影响，不稳定， 可靠性较低。 静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析 、 澎删霪 鋈鬟 、0 亡 嫩i霪霪 、 霞 j 图2 3自加压式静压干气密封结构图 f i g 2 3s e l f - p r e s s u r i z e dh y d r o s t a t i cg a ss e a ls t r u c t u r e 本文将针对外加压式静压干气密封中的节流孔特性进行研究，重点分析气膜厚度、 气源压力、节流孔个数和直径对端面开启力和气膜刚度的影响。 2 2 2 静压干气密封的几何模型 对于动压型干气密封，动压槽一般都是开在动环端面处，如图2 4 所示的t 型槽结 构，图2 5 所示的圆弧槽端面结构，图2 6 ( a ) 中的外侧和( b ) 中的内侧螺旋槽端面结构。 除此之外还有直线槽、斜线槽等端面结构。 德 辞s 犍岁 图2 4t 型槽结构 f i g 2 4t - s h a p eg r o o v es t r u c t u r e 图2 5 圆弧槽结构 f i g 2 5 c i r c u l a ra l cg r o o v es t r u c t u r e ( a ) 外侧螺旋槽( b ) 内侧螺旋槽 图2 6 螺旋槽端面结构 f i g 2 6s p i r a lg r o o v ee n ds u r f a c es t r u c t u r e 对于静压干气密封的结构，而是在静环的端面上开设若干个浅槽，称之为补偿槽， 8 西华大学硕士学位论文 除此之外，把节流孔开在每个浅槽的中心，它是外部气源向动、静环端面提供润滑气体 的通道。本文针对外加压式静压干气密封进行分析研究，其静环端面结构如图2 7 所示， 端面外径为r 。，内径为r ：，节流孔位置的半径为玛。浅槽的深度为h 譬，浅槽的内外侧 半径分别为r ，：、r 。，于是有浅槽宽度为b = r d 。- r 。2 ，浅槽两端的形状为半圆形轮廓， 半径是酬2 。节流孔的位置位于浅槽的中部，小孔直径为d 。 图2 7 静压干气密封静环端面结构 f i g 2 7 s t a t i cp r e s s u r eo fd r yg a ss e a le n df a c es t r u c t u r e 对于机械密封装置，其密封结构和外载荷均近似轴对称，其流场也是轴对称的，则 理论上各区域的流场是相同的，因此只需取其中一部分进行计算和分析即可，若静环端 面节流孔的个数为忍，则可以选择整个密封端面的去份作为计算区域，如图2 8 所示： 图2 8 计算区域口 f i g 2 8 c a l c u l a t i o nr e g i o nj q 2 2 3 基本假设 基于流体力学基本理论，对密封端面间的气膜流场作分析时，为简化模型，做了如 下假设： ( 1 ) k n = 州五 0 0 1 ，其中k 舻“m l d s 饥数，a 气体分子平均自由程，办 气膜厚度，润滑气体为连续流动的介质。 9 静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析 ( 2 ) 润滑气体为牛顿流体，并作层流运动，剪切应力与速度梯度成正比。 ( 3 ) 沿气膜厚度的方向，不计压力的变化，因此有：善= 0 。 匀p 砂 ( 4 ) 与粘性剪应力相比，流体的惯性力可视为很小，忽略不计，因此， 坐：1 牵：坐：o ； 一= 一= u ! d t d t d t ( 5 ) 不考虑润滑气体体积力的作用。 ( 6 ) 附着于固体界面之上的流体质点的速度与固体界面上的该点有相同速度。 ( 7 ) 忽略端面形貌的影响，两密封面不接触，在端面问存在气膜间隙，气膜厚度为h ， 非槽区的密封端面间处处相等。 ( 8 ) 取气膜厚度与y 轴方向一致，工、z 轴组成的平面与展开成平面的气体润滑表面 重合。沿y 轴气流速度分量v 比沿工和z 轴的分量u 和w 小很多。y 向值比x 向值和z 向 都小很多。与譬和半这两个速度梯度比较起来，其它速度梯度都可以忽略不计。 c 少砂 ( 9 ) 密封的对中性好，忽略在工作过程中系统扰动和振动对气膜流场的影响。 2 4 静压干气密封控制方程的建立 静压干气密封采用小孔节流方式，其端面流场通常采用稳态静压型气体润滑雷诺方 【4 3 】： 丢( 五3 篆) + 昙( 3 笔) = 。 c 2 2 ， 中：f 气体压力平方函数，f = ，g ，z ) ； h 气膜厚度，h = h ( x ，z ) 。 由于在连续气体流场中，节流孔处压力和流量会发生突跳性变化，造成满足边界条 件和求解的困难，并且节流孔流量边界条件对求解精度有很大影响，在对导数罢和芸 进行求解时，由微分带来的噪声和误差都较大。为此，在进行数值计算时将节流孔流量 项q 6 ；引入到润滑方程，得到柱坐标下修正的雷诺方程m 】： 吾昙( 砌3 善) + 吉品( 厅3 善) + q 艿，= 。 c 2 3 ， 式中：q 流入节流孔的气体质量流量因子，q ：竺当p ； 况一狄拉克溅沪譬篙善鎏拦 n 大气压力o 1 0 西华大学硕士学位论文 p 。空气密度； p 流经节流孔的气体密度； ，流经节流孔气体的速度； ，7 润滑气体粘度。 为简化分析和数值计算，令孝= l n r ，对式( 2 3 ) 进行变量变换： 毒( 而3 善) + 品( 矗3 嘉 + ，2 q 6 ，= 。 c 2 4 ， 为将式( 2 4 ) 改写成无因次的形式，在各参量的符号上面加一横线来表示该参数 为无因次量，令： ，=