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%。     

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。     

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。     

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。     

螺旋槽干气密封

介绍螺旋槽干气密封的操作原理以及可行的密封布置，讨论密封对操作条件变化的补偿原理，并说明其优点和应用。     

干气密封螺旋槽的激光加工和动压效应分析

采用激光加工法对螺旋槽干气密封端面动压槽进行加工,并进行端面压强的测试。在静环端面相隔120°且不同的径向位置安装3个传感器,测定端面螺旋槽沿着径向产生的压强。通过改变螺旋角、槽深和螺旋槽槽数来试验研究端面产生的动压效果。试验表明,采用激光加工方法能够得到很好的加工精度,达到样机试验的要求;在确定的工况下,当螺旋角在16°时产生的压强最大,压强随着槽深和槽数的增加而增大,最大压强在槽根部。     

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。     

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     

螺旋槽干气密封端面间气膜特性

螺旋槽干气密封是一种新型的非接触式机械密封,它具有介质泄漏量少、端面磨损小、能耗低、运行寿命长和可靠性高等优点.采用有限元法对螺旋槽干气密封端面间气体的流动过程进行了数值模拟研究,得到了端面间气膜的压力分布规律并对主要的密封性能参数——开启力、端面摩擦力、摩擦功耗、轴向刚度以及泄漏量进行了计算,最后,探讨了操作参数和端面槽形几何参数对密封性能的影响.研究结果为螺旋槽干气密封的设计提供了有益的参考.     

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...     

螺旋槽气体端面密封动态特性分析

采用直接数值模拟的方法联立求解螺旋槽气体端面密封的运动方程和动态雷诺方程,结合给定的密封参数条件,对螺旋槽气体端面密封的动态特性进行了分析。得出了气膜的阻尼系数和刚度系数在不同密封参数条件下的变化情况。     

螺旋槽干气密封静环的变形分析

在高压下运行的螺旋槽干气密封,静环端面将会产生较大的轴向位移,对3~5μm厚的气膜稳定性影响至关重要。应用ANSYS软件对螺旋槽干气密封静环建立有限元模型,进行力变形和热力耦合变形分析。研究结果表明:在力单独作用下,静环端面轴向变形随着半径呈近似线性变化,在内径处产生最大轴向压缩位移;热力耦合作用下,静环端面轴向变形随着半径呈非线性变化,同样在内径处产生最大轴向压缩位移。但在两种工况下,端面最大变形量都没有超过密封时气膜厚度,对气膜稳定性没有影响,所以对整个螺旋槽干气密封系统的密封性能没有影响。     

考虑锥度及波度的螺旋槽液膜密封动态特性分析

密封端面因热力变形或机械加工产生的形貌变化显著影响密封性能。建立考虑径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封数学模型,利用偏导数法求解动态雷诺方程,并采用有限元法计算液膜密封开启力、刚度、动态刚度及阻尼系数,进而分析了径向锥度及周向波度对液膜密封稳、动态特性的影响。结果表明:液膜密封开启力随着锥度的增加逐渐减小,随着波幅的增加逐渐变大,同一波幅下,波数增多,开启力减小;液膜刚度随着锥度的增加逐渐减小,且波数不同时随波幅的变化趋势不同;液膜动态刚度系数绝对值随锥度的增加逐渐减小,轴向刚度系数和角向刚度系数受波度的影响比较明显;液膜动态阻尼系数随锥度的增加逐渐减小,随波幅的增加逐渐变大。     

考虑锥度及波度的螺旋槽液膜密封动态特性分析

密封端面因热力变形或机械加工产生的形貌变化显著影响密封性能。建立考虑径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封数学模型,利用偏导数法求解动态雷诺方程,并采用有限元法计算液膜密封开启力、刚度、动态刚度及阻尼系数,进而分析了径向锥度及周向波度对液膜密封稳、动态特性的影响。结果表明：液膜密封开启力随着锥度的增加逐渐减小,随着波幅的增加逐渐变大,同一波幅下,波数增多,开启力减小;液膜刚度随着锥度的增加逐渐减小,且波数不同时随波幅的变化趋势不同;液膜动态刚度系数绝对值随锥度的增加逐渐减小,轴向刚度系数和角向刚度系数受波度的影响比较明显;液膜动态阻尼系数随锥度的增加逐渐减小,随波幅的增加逐渐变大。     

CFD软件对螺旋槽干气密封的模拟

采用了通用计算流场分析软件fluent,使用gambit软件建立三维计算模型并划分网格。基于三维N-S方程,选用RNG K-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对螺旋槽气体密封的三维流场进行了数值研究。通过验证。表明流场的数值计算结果与文献中的试验值吻合较好,模拟了气膜场的压力分布。对进一步研究具有指导意义和实用价值。     

单列双向螺旋槽干气密封的性能研究

采用商业CFD分析软件FLUENT,对一种能实现双向旋转的单列螺旋槽干气密封端面流场进行数值模拟。应用层流模型、SIMPLE算法,计算密封端面的压力分布、开启力、泄漏量,与单向螺旋槽干气密封性能进行对比分析。结果表明该密封具有较好的动压效应和较小的泄漏量,并克服了普通螺旋槽只能单向旋转的缺点,对该类螺旋槽干气密封的进一步优化设计有一定的指导意义。     

高速高压螺旋槽干气密封端面温度的测试分析

由于高工况和端面间隙3~5 μm, 因而对端面温度的测试技术是个难点, 更是研究端面微尺度热流体力学的关键点。采用LabVIEW对端面温度编写测试程序, 选定符合要求的传感器等设备, 确定相应的测试技术, 采取抑制干扰的措施, 对端面温度进行测试, 研究不同工况和启停阶段下端面温度的分布和其原因。试验结果表明:不同压力和转速下, 端面的温度分布:根径大于内径大于外径, 最高温度发生在根径处, 为90.90℃, 说明非接触状态下, 以根部大压降引起的热耗散所产生的温升为主。启停阶段外径温度最高, 说明接触状态下, 以固体壁面间摩擦产热为主。这与先前利用热耗散变形得到的理论结果相吻合, 验证了根径区域为温度最高点。试验结果为今后考虑热耗散下的槽形优化提供了依据。     

中低压干气密封螺旋槽结构参数优化

基于完全析因设计方法,开展中低压干气密封端面螺旋槽几何结构参数优化.基于气体润滑理论,对中低压条件下螺旋槽干气密封的动压开启力增长率、气膜刚度和刚漏比等密封特性参数进行分析,获得了中压和低压条件下螺旋槽几何结构参数的优选值范围,提出"螺旋槽干气密封特性参数优化带".结果表明:特性参数优化带能较好地反映螺旋槽干气密封在不同压缩数下的最优性能水平;在中低压高速条件下,当螺旋角b=10°～25°,槽深h_g=5～10 mm时能获得较优的密封性能;当槽坝比a_g=1.5～4.0,槽长宽比l=2～8时能获得较好的动压效应和轴向气膜稳定性;当槽坝比a_g=0.7～1.5,槽长宽比l=2～5时能获得较好的综合密封性能.     

干气密封螺旋槽几何参数优选交互影响

为解决干气密封（DGS）端面型槽优化中未考虑型槽几何参数之间对目标函数交互影响而导致几何参数优化结果不准确的问题,研究了不同速度条件下DGS螺旋槽中其他几何参数对某一几何参数优选值的交互影响。基于气体润滑理论,建立了螺旋槽DGS的几何模型和数学模型,数值求解获得端面膜压分布和稳态性能参数,定义了综合表征螺旋槽几何结构的特征参数。以气膜刚度最大为优选目标,获得了不同速度条件下DGS螺旋槽中某一几何参数优选值随其他几何参数的变化规律。结果表明：DGS螺旋槽各几何参数两两之间呈现出复杂的交互影响关系,不过总体符合趋向于降低槽内实际通流面积、槽长宽比和槽长深比3个综合参数变化幅值的原则;与单因素优化方法相比,在给定算例参数条件下所提出的考虑几何参数交互影响的优化方法所获得气膜刚度最优值提高11.4%。     

干气密封螺旋槽几何参数优选交互影响

为解决干气密封(DGS)端面型槽优化中未考虑型槽几何参数之间对目标函数交互影响而导致几何参数优化结果不准确的问题,研究了不同速度条件下DGS螺旋槽中其他几何参数对某一几何参数优选值的交互影响。基于气体润滑理论,建立了螺旋槽DGS的几何模型和数学模型,数值求解获得端面膜压分布和稳态性能参数,定义了综合表征螺旋槽几何结构的特征参数。以气膜刚度最大为优选目标,获得了不同速度条件下DGS螺旋槽中某一几何参数优选值随其他几何参数的变化规律。结果表明:DGS螺旋槽各几何参数两两之间呈现出复杂的交互影响关系,不过总体符合趋向于降低槽内实际通流面积、槽长宽比和槽长深比3个综合参数变化幅值的原则;与单因素优化方法相比,在给定算例参数条件下所提出的考虑几何参数交互影响的优化方法所获得气膜刚度最优值提高11.4%。