高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明：在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。     

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明:与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能(泄漏率、开启力)的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3μm,转速为20000 r·min-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。     

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明：与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能（泄漏率、开启力）的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3 μm,转速为20000 r·min^-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。     

基于多变量摄动的超临界CO2干气密封动态特性

超临界CO₂压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO₂和N₂干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO₂干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明：高频下超临界CO₂干气密封的刚度和阻尼系数较N₂干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。     

实际气体对T槽干气密封动态特性的影响

目前,针对干气密封的研究一般把气体处理为理想气体,但是在高压工况下,气体的实际行为与理想气体有较大差异。采用维里方程表达气体的实际行为,获得实际气体效应修正的气体润滑雷诺方程,利用小扰动法和有限差分法求解该雷诺方程,获得压力分布,进而获得气膜刚度和气膜阻尼等表征干气密封动态特性参数。针对T槽干气密封,以二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和氮气(N2)为例,分别分析了实际气体效应对T槽干气密封的气膜刚度和气膜阻尼等动态特性的影响,并与理想气体进行对比,结果表明:随着压缩数的增大,三种实际气体与理想气体的气膜刚度、气膜阻尼均增大。随着频率数的增大,实际气体与理想气体的气膜刚度增大,气膜阻尼减小。实际气体气膜刚度、气膜阻尼偏离理想气体气膜刚度、气膜阻尼的程度随着压缩因子Z偏离理想气体(Z=1)的程度增加而增加。对于CO2(Z1),气膜刚度大于理想气体气膜刚度,而气膜阻尼小于理想气体气膜阻尼。对于H2(Z1),气膜刚度小于理想气体气膜刚度,而气膜阻尼大于理想气体气膜阻尼。N2(Z≈1)的气膜刚度与气膜阻尼与理想气体近似相等。     

实际气体对T槽干气密封动态特性的影响

目前,针对干气密封的研究一般把气体处理为理想气体,但是在高压工况下,气体的实际行为与理想气体有较大差异。采用维里方程表达气体的实际行为,获得实际气体效应修正的气体润滑雷诺方程,利用小扰动法和有限差分法求解该雷诺方程,获得压力分布,进而获得气膜刚度和气膜阻尼等表征干气密封动态特性参数。针对T槽干气密封,以二氧化碳（CO₂）、氢气（H₂）和氮气（N₂）为例,分别分析了实际气体效应对T槽干气密封的气膜刚度和气膜阻尼等动态特性的影响,并与理想气体进行对比,结果表明：随着压缩数的增大,三种实际气体与理想气体的气膜刚度、气膜阻尼均增大。随着频率数的增大,实际气体与理想气体的气膜刚度增大,气膜阻尼减小。实际气体气膜刚度、气膜阻尼偏离理想气体气膜刚度、气膜阻尼的程度随着压缩因子Z偏离理想气体（Z=1）的程度增加而增加。对于CO₂ （Z<1）,气膜刚度大于理想气体气膜刚度,而气膜阻尼小于理想气体气膜阻尼。对于H₂ （Z>1）,气膜刚度小于理想气体气膜刚度,而气膜阻尼大于理想气体气膜阻尼。N₂（Z≈1） 的气膜刚度与气膜阻尼与理想气体近似相等。     

含杂质二氧化碳实际气体干气密封性能研究

基于EOS-CG模型和GERG-2008模型计算含杂质二氧化碳混合气体的密度,基于CO₂-Pedersen模型计算混合气体的黏度。利用模型计算数据拟合获得含杂质二氧化碳混合气体密度、黏度与压力的关系式,用以描述混合气体的实际行为以及黏度随压力变化的规律。采用有限差分法求解稳态雷诺方程,得到了纯二氧化碳和含杂质二氧化碳干气密封开启力、泄漏率以及气膜刚度,并分析了杂质对二氧化碳干气密封性能(开启力、泄漏率、气膜刚度)的影响。考虑的变量有端面平均线速度、气膜厚度、进口温度以及进口压力等。结果表明：当进口压力为15.26 MPa,进口温度为363.15 K,线速度为74.030 m/s,气膜厚度为3.05 μm时,含杂质二氧化碳干气密封开启力和泄漏率都小于纯二氧化碳干气密封开启力和泄漏率,且杂质含量越多,差别越明显;杂质对二氧化碳干气密封开启力、泄漏率、气膜刚度的影响随端面平均线速度的增大而增大;对泄漏率、气膜刚度的影响随气膜厚度的增加而减小;对开启力、泄漏率、气膜刚度的影响随进口温度的增大而减小;对开启力的影响随进口压力的增大先减小,再增大,最后减小,对泄漏率的影响随进口压力的增大先增大后减小,对气膜刚度的影响随进口压力的增大先减小后增大。     

基于微段组合的干气密封端面型槽结构模型及其参数影响

为解决现有干气密封端面型槽型线方程表征能力不强和结构参数定义体系不统一的问题,提出了一种基于径向微段组合以表征任意形状型线的广义对数螺旋槽结构模型。给出了广义对数螺旋槽结构参数定义体系,对比了不同压力和速度条件下广义螺旋槽与经典螺旋槽干气密封的开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能,重点研究了广义螺旋角分布和型线周向偏转两个特征量对干气密封性能的影响,基于不同目标函数获得了广义螺旋槽的最优形状。结果表明：型槽上游侧壁型线形状对各项稳态性能参数均有显著影响,而下游侧壁型线形状仅对泄漏率和气膜刚度影响显著;经典对数螺旋槽是一种流体动静压效应很强的端面结构,单纯依靠型线优化难以使气膜承载力显著提高,不过在低压高速条件下优化广义螺旋角分布,在高压低速条件下合适设置型线周向偏转有望提高干气密封的气膜刚度和刚漏比。     

同时考虑实际气体效应和滑移流效应螺旋槽干气密封性能分析

为分析考虑实际气体效应和滑移流效应的螺旋槽干气密封性能,通过维里实际气体状态方程代替理想气体状态方程、有效黏性系数代替动力黏度修正窄槽理论螺旋槽干气密封气膜压力控制方程。以氮气(N₂)、氢气(H₂)、二氧化碳(CO₂)为例,分别计算、对比无滑移理想气体、滑移理想气体、无滑移实际气体、滑移实际气体时螺旋槽干气密封的泄漏率、槽根处压力、端面开启力。结果表明:滑移流效应使气体泄漏率增大、槽根处压力和端面开启力降低;实际气体效应使易受压缩气体(压缩因子Z<1)的泄漏率、槽根压力、端面开启力增大,使不易受压缩气体(压缩因子Z>1)泄漏率、槽根压力、端面开启力减小。随着气体压力增大,滑移流效应逐渐减弱,而实际气体效应增强;低压下滑移流效应起主导作用,高压下实际气体效应起主导作用。     

节流孔出气模式对静压干气密封稳态性能影响

以径向单列和多列小孔节流静压干气密封为研究对象,采用湍流大涡模拟方法分析了节流孔位置和气膜厚度对单列小孔节流静压干气密封开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能的影响,对比分析了不同节流孔径向出气模式和周向排布对径向多列节流静压干气密封稳态性能的影响,获得了不同膜厚条件下最佳的节流孔出气模式,在此基础上提出一种出气模式在线可调的新型静压干气密封结构。结果表明：相较于经典单列节流静压干气密封,小膜厚时（膜厚＜10 μm）径向上、下游同时开孔的多列节流静压干气密封,以及大膜厚时（膜厚>10 μm）径向上、中、下游同时开孔的多列节流静压干气密封开启力和气膜刚度显著提高,最大增幅分别达到15%和25%;通过选取合理的节流孔出气模式可满足不同条件下静压干气密封高气膜承载能力、低泄漏率和低耗气量的性能需求。     

考虑氢气实际气体效应和阻塞流效应的螺旋槽干气密封动态特性分析

以Chen等提出的氢气实际气体状态方程描述氢气的实际气体行为,以气体出口速度达到音速作为产生阻塞效应的条件,确定出口压力边界条件,采用小扰动法分析了干气密封操作参数对螺旋槽干气密封动态特性的影响规律,并与理想气体、强制出口压力边界模型中的动态特性系数进行了对比。结果表明：研究高压螺旋槽干气密封的动态特性时应当考虑实际气体效应和阻塞流效应。两种效应使氢气螺旋槽干气密封的直接动态气膜刚度减小,使直接动态气膜阻尼增大。随着压缩数、进口压力的增大,两种效应对动态气膜刚度的影响逐渐增强。以频率比为变量时,两种效应主要影响气膜刚度,对气膜阻尼的影响作用较小。针对所研究的工况,与理想气体和强制压力出口边界条件相比,考虑实际气体效应和阻塞流效应,以压缩数为变量时,动态气膜阻尼（C_zz、C_αα、C_αβ）的平均偏差分别为2.28%、1.93%、2.79%;以进口压力为变量时,3种气膜阻尼的平均偏差分别达到4.08%、2.07%、1.82%。     

考虑氢气实际气体效应和阻塞流效应的螺旋槽干气密封动态特性分析

以Chen等提出的氢气实际气体状态方程描述氢气的实际气体行为,以气体出口速度达到音速作为产生阻塞效应的条件,确定出口压力边界条件,采用小扰动法分析了干气密封操作参数对螺旋槽干气密封动态特性的影响规律,并与理想气体、强制出口压力边界模型中的动态特性系数进行了对比。结果表明:研究高压螺旋槽干气密封的动态特性时应当考虑实际气体效应和阻塞流效应。两种效应使氢气螺旋槽干气密封的直接动态气膜刚度减小,使直接动态气膜阻尼增大。随着压缩数、进口压力的增大,两种效应对动态气膜刚度的影响逐渐增强。以频率比为变量时,两种效应主要影响气膜刚度,对气膜阻尼的影响作用较小。针对所研究的工况,与理想气体和强制压力出口边界条件相比,考虑实际气体效应和阻塞流效应,以压缩数为变量时,动态气膜阻尼(Czz、Cαα、Cαβ)的平均偏差分别为2.28%、1.93%、2.79%;以进口压力为变量时,3种气膜阻尼的平均偏差分别达到4.08%、2.07%、1.82%。     

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO₂)螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力p_o＿cir、临界阻塞转速N_＿cir、临界阻塞膜厚h_0＿cir和阻塞临界失稳膜厚h_sc)。结果表明：等温流动和绝热流动模型下超临界CO₂干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为p_o>p_o＿cir、h_0＿cir0sc和N＿cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升...     

基于湍流模型的S-CO2干气密封流场与稳态性能分析

为探究湍流效应对S-CO₂干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO₂真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明：湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下的开启力和泄漏率均比层流下的低,且在两种流态下的这种差异随着进口压力、进口温度、平均膜厚的增大而逐渐增大;在不同转速下,开启力和泄漏率在湍流下分别表现出与层流不同的变化趋势。这些结果为进一步研究湍流效应对S-CO₂干气密封的影响提供了支撑。     

传热模型对近临界工况CO2干气密封温压分布和稳态性能影响

干气密封流体膜与密封环间传热模型的合理选取对于准确求解密封温压分布和稳态性能至关重要。在CO₂近临界工况下,对比研究了密封环等温模型、绝热模型和共轭热传递模型对超临界CO₂干气密封端面温度、压力分布和开启力、泄漏率等稳态性能的影响,探讨了不同膜厚和转速条件下密封环等温模型和绝热模型的适用性,并基于共轭热传递模型研究了超临界CO₂和空气介质干气密封的温压分布和稳态性能差异。结果表明：以共轭热传递模型计算结果为基准,密封环等温模型假设适用于小膜厚低速流动工况,不过开启力偏低而泄漏率偏高,绝热模型假设适用于大膜厚高速流动工况;相较于空气介质干气密封,超临界CO₂干气密封在小膜厚下的温度分布和大膜厚下的压力分布基本接近,不过小膜厚下的温度更低,而在大膜厚下的压力更高。     

基于CFD的螺旋槽干气密封气膜刚度的计算

应用Gambit软件建立三维螺旋槽干气密封模型,并对其进行网格划分。在相同特定工况下,运用Fluent软件对6种不同气膜厚度的螺旋槽干气密封内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到其流场的压力分布及径向压力分布。通过不同厚度的气膜所产生的动压来获得它们的气膜推力,再利用最小二乘法则拟合得到了气膜推力关于气膜厚度的解析式,求得气膜刚度。结果表明,气膜刚度是关于气膜厚度的负指数函数,通过与试验进行对比,证明了利用此函数来求解气膜刚度是正确的。     

基于遗传算法的干气密封双向槽统一模型与参数优化

通过提出表征能力更强的新型结构模型和引入全局寻优能力更强的智能优化算法以提高双向旋转槽干气密封的稳态密封性能。在综合分析国内外干气密封典型双向旋转槽结构特点的基础上,提出一种动压槽倾角可变的双向旋转槽统一模型。建立双向旋转槽干气密封的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解端面膜压控制方程,获得开启力和气膜刚度等稳态性能参数。分析了动压槽倾斜角对干气密封稳态性能的影响规律,对比分析了不同速度条件下单因素优化、迭代优化和遗传算法优化等三种优化方法对提高双向旋转槽干气密封稳态性能的作用。结果表明:相较于以往双向树形槽干气密封单因素优化的结果,基于遗传算法的统一模型槽干气密封获得的开启力和气膜刚度显著提高,最大增幅分别达到6%和55%;在高速条件下,上游动压槽螺旋角为锐角,下游动压槽螺旋角为钝角的似机翼形双向旋转槽干气密封具有最大的开启力和气膜刚度。     

基于遗传算法的干气密封双向槽统一模型与参数优化

通过提出表征能力更强的新型结构模型和引入全局寻优能力更强的智能优化算法以提高双向旋转槽干气密封的稳态密封性能。在综合分析国内外干气密封典型双向旋转槽结构特点的基础上，提出一种动压槽倾角可变的双向旋转槽统一模型。建立双向旋转槽干气密封的几何模型和数学模型，采用有限差分法求解端面膜压控制方程，获得开启力和气膜刚度等稳态性能参数。分析了动压槽倾斜角对干气密封稳态性能的影响规律，对比分析了不同速度条件下单因素优化、迭代优化和遗传算法优化等三种优化方法对提高双向旋转槽干气密封稳态性能的作用。结果表明：相较于以往双向树形槽干气密封单因素优化的结果，基于遗传算法的统一模型槽干气密封获得的开启力和气膜刚度显著提高，最大增幅分别达到6%和55%；在高速条件下，上游动压槽螺旋角为锐角，下游动压槽螺旋角为钝角的似机翼形双向旋转槽干气密封具有最大的开启力和气膜刚度。     

干气密封的实际气体焦耳-汤姆逊效应分析

干气密封系统中气体通过过滤器、阀门、孔板和密封端面等组件时会发生焦耳-汤姆逊（JT）效应,可能导致密封气温度降低,甚至出现液相凝析。焦耳-汤姆逊效应一般通过焦耳-汤姆逊系数来反映。针对干气密封常面临的氢气、氮气、空气和二氧化碳,利用VDW方程、RK方程、SRK方程和PR方程4个经典状态方程（EOS）分别计算了相应的焦耳-汤姆逊（JT）系数,并与文献实验数据进行了比较,选择最佳状态方程作出各气体的JT系数曲线和焦耳-汤姆逊反转曲线（JTIC）,并利用编程计算出空气和氮气通过干气密封端面时,由于JT效应引起的气体温降。结果表明：实际气体的焦耳-汤姆逊效应,对干气密封的节流环节会产生重要影响。常温条件下,氢气发生致热效应,而氮气、空气和二氧化碳气体发生致冷效应。采用4种状态方程计算焦耳-汤姆逊系数时,RK方程的平均相对误差和最大相对误差最低且分别小于4%和10%。干气密封气体的实际气体焦耳-汤姆逊效应能引起较大的温度变化,其中气体介质压力比介质温度对温差的影响更大。压力较小时JT效应引起的温降可以忽略。关键词：干气密封;实际气体;状态方程;焦耳-汤姆逊系数;反转曲线     

可调控型气膜润滑密封静压结构参数优化

鉴于可调控型气膜润滑密封(R-GLS)静压效应对密封性能的重要影响,开展该种密封端面静压结构的研究。基于气体润滑理论,采用有限元法求解了R-GLS端面间气膜的雷诺方程,研究了不同转速条件下静压结构对平衡膜厚、气膜刚度、泄漏率和摩擦功耗等密封性能的影响规律,并开展了该种密封静压结构的优化分析。对比了相同工况下静压式、泵出式和泵入式3种R-GLS的密封性能。结果表明:当节流孔直径0.05 mm< d <0.2 mm,量纲1均压槽深度0.005< H <0.015,量纲1均压槽宽度0.02< W <0.05时,R-GLS能获得较佳的密封性、气膜稳定性和较低的摩擦损耗;当量纲1节流孔位置0.3< R <0.6时能获得较大的工作间隙和较优的密封性,0.1< R <0.3或0.55< R <0.7时能获得较好的气膜稳定性;泵出式密封能在保持较大平衡膜厚、优秀气膜刚度的同时兼具较低的泄漏率;泵入式密封可以实现调控气向外零泄漏。