【摘要】：干氣密封已在石油石化和能源電力行業(yè)中的中、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械與設(shè)備的軸端密封中得到廣泛應(yīng)用,但是,隨著這些行業(yè)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械與設(shè)備向高參數(shù)工況的發(fā)展,以及干氣密封逐漸推廣到煤化工、超臨界二氧化碳發(fā)電等領(lǐng)域,干氣密封的使用情況并不盡人意,特別是隨著速度的進(jìn)一步提高,轉(zhuǎn)軸軸向振動(dòng)加劇,加之密封環(huán)不可避免的安裝偏差,且目前干氣密封普遍還存在抗擾動(dòng)能力不足的問題,使得干氣密封在工程實(shí)際應(yīng)用中常因端面碰磨或密封環(huán)撞碎而失效�？梢�,研究并開發(fā)高速下動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異的干氣密封并形成一套高速干氣密封動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法,對(duì)提高高速干氣密封動(dòng)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命、保障我國重要領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備可靠性和安全性具有重大的工程實(shí)際價(jià)值和戰(zhàn)略意義。基于氣體潤滑和動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論,通過小擾動(dòng)法推導(dǎo)建立了考慮軸向和角向總共三個(gè)自由度微擾作用下的干氣密封微擾膜壓控制方程組,利用有限差分法求解并進(jìn)行了程序正確性驗(yàn)證。在高速高壓條件下,分析了工況參數(shù)及外界激勵(lì)情況對(duì)螺旋槽干氣密封氣膜動(dòng)態(tài)特性系數(shù)的影響規(guī)律,研究了高速且不同介質(zhì)壓力條件下螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干氣密封氣膜動(dòng)態(tài)特性系數(shù)的影響規(guī)律,初步揭示了氣膜動(dòng)態(tài)特性的影響因素及變化規(guī)律,為后續(xù)螺旋槽干氣密封動(dòng)態(tài)性能的深入研究奠定了理論基礎(chǔ)�；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)理論,考慮動(dòng)環(huán)軸向振動(dòng)和角向安裝偏差,建立了撓性安裝靜環(huán)運(yùn)動(dòng)方程,分析了膜厚擾動(dòng)分布以及最大膜厚擾動(dòng)量的瞬態(tài)變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上求解瞬態(tài)雷諾方程,分析了膜壓瞬態(tài)分布以及開啟力和泄漏率的瞬態(tài)變化規(guī)律,重點(diǎn)分析了工況參數(shù)和外界激勵(lì)等外部因素對(duì)動(dòng)態(tài)追隨性和瞬態(tài)密封性能的影響規(guī)律,揭示了干氣密封的瞬態(tài)運(yùn)行機(jī)理�？紤]到力學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)干氣密封動(dòng)態(tài)性能影響的重要性,以靜環(huán)撓性安裝螺旋槽干氣密封為對(duì)象,重點(diǎn)分析了彈簧剛度、輔助密封圈阻尼、靜環(huán)密度及靜環(huán)特征尺寸等密封力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部因素對(duì)干氣密封動(dòng)態(tài)追隨性的影響;同時(shí),針對(duì)工程中應(yīng)用較為廣泛的三種密封環(huán)撓性安裝形式的干氣密封結(jié)構(gòu),在同一對(duì)比基準(zhǔn)下,建立三者運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析模型并通過解析法進(jìn)行求解,最終對(duì)三種結(jié)構(gòu)干氣密封膜厚擾動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析,從而更為系統(tǒng)地掌握了不同撓性環(huán)安裝形式的干氣密封動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣情況及其相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在掌握干氣密封動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)理和性能演變規(guī)律的前提下開展系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。在大量算例基礎(chǔ)上,總結(jié)出了四種典型的膜厚擾動(dòng)型態(tài)以及對(duì)應(yīng)振型的發(fā)生條件,定義膜厚擾動(dòng)周期峰和突變峰為干氣密封動(dòng)態(tài)追隨性的表征參數(shù)并以此作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),基于控制變量法和完全析因設(shè)計(jì)法,在給定的優(yōu)化原則下研究了螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)元件特性參數(shù)的優(yōu)化取值范圍及各影響參數(shù)之間的交互作用規(guī)律。同時(shí),借助超橢圓曲線良好的覆蓋特性,提出了超橢圓曲線槽干氣密封,在與螺旋槽相同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下,通過調(diào)整超橢圓系數(shù)來優(yōu)化型槽型線可使超橢圓曲線槽干氣密封相比螺旋槽干氣密封動(dòng)態(tài)性能顯著提升。為進(jìn)一步驗(yàn)證理論研究結(jié)論,同時(shí)為干氣密封動(dòng)力學(xué)工程設(shè)計(jì)提供一定的實(shí)驗(yàn)參考依據(jù),自主設(shè)計(jì)并搭建了干氣密封動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,針對(duì)靜環(huán)撓性安裝形式的螺旋槽干氣密封,在不同膜厚條件下實(shí)驗(yàn)研究了干氣密封的開啟過程,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了槽深、彈簧剛度和撓性環(huán)質(zhì)量對(duì)螺旋槽干氣密封膜厚擾動(dòng)及泄漏率的影響并與理論研究進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的驗(yàn)證了理論研究的相關(guān)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)和理論相關(guān)研究成果基本形成了一套高速干氣密封力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與指導(dǎo)方法。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB42
【圖文】：

[3]。GS 雖然沒有成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，但在研究的過程中積累了大量的設(shè)計(jì)特別是 DGS 具有零磨損、低泄漏、低功耗、長壽命等顯著優(yōu)勢，這使得 70 年代中期就陸續(xù)在工況不那么苛刻的旋轉(zhuǎn)機(jī)械上成功獲得推廣應(yīng)用，等。近年來，隨著石化、能源及輸運(yùn)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，要求旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高速、高壓等）發(fā)展，且在石化等行業(yè)，很多工藝氣體都具有易燃、易爆，一旦密封失效，泄漏的介質(zhì)不僅會(huì)影響工作人員身體健康、污染環(huán)境，火災(zāi)、爆炸等重大安全事故，造成巨大損失，因此需要對(duì) DGS 的密封性以及可靠性提出更高的要求[4~6]。高參數(shù)條件下，特別是在高速條件下，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)劇烈，加之密封環(huán)不可避等因素的影響，往往會(huì)引起 DGS 端面氣膜失穩(wěn)，從而造成密封環(huán)偏磨、進(jìn)而導(dǎo)致密封失效。近年來，多家石油石化及制藥化工企業(yè)高速離心壓縮10]，不僅對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行帶來威脅，同時(shí)給公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而封環(huán)端面有嚴(yán)重磨痕或密封環(huán)碎裂（見圖 1-1），分析認(rèn)為機(jī)組振動(dòng)過大、定性不足是引發(fā)事故的重要原因之一。由此可見，DGS 動(dòng)力學(xué)問題不容

第 1 章 緒論典型結(jié)構(gòu)介紹典型結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理過彈性元件對(duì)動(dòng)、靜環(huán)端面密封副實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，工程中高性元件受離心力的影響，多采用如圖 1-2 所示的彈簧靜止型 DGS 而言，DGS 是利用開槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)密封端面非接，被泵入的氣體在端面型槽的迎風(fēng)側(cè)和槽根處擠壓產(chǎn)生形成微米級(jí)厚度的氣膜，在 DGS 動(dòng)力學(xué)分析中，通常尼的彈簧-阻尼系統(tǒng)。

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本文編號(hào)：2722614