浮环气膜密封径向刚度数值模拟与分析.pdf
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1、文章编号:()浮环气膜密封径向刚度数值模拟与分析杨玺庆,王宇飞,马高峰(兰州石化职业技术大学 机械工程学院;发展规划处,甘肃 兰州 )摘要:针对浮环气膜密封在运行过程中气膜刚度较低,密封副易碰磨的问题,提出了在轴套表面开设微槽提高气膜承载力进而提高气膜密封系统的稳定性。基于气体润滑理论,建立了浮环气膜密封的稳态特性数学分析模型,并采用有限差分法进行对压力场进行了求解,计算获得了浮环气膜密封的稳态特性参数,并探究了不同工况及结构参数对气膜径向刚度的影响规律。分析结果表明:随着压强、转速和偏心率的增大都可引起气膜浮升力的提高及径向气膜刚度增大,从而改善了密封系统的稳定性,其中转速为 ,入口压力为
2、时,偏心率取值 和螺旋角取值 时,气膜承载力最佳,气膜刚度最大,可显著提升密封装置维稳和抗振性能。该研究对浮环密封系统设计提供了一定的参考。关键词:浮环密封;气体润滑;气膜刚度;稳态特性;数值计算中图分类号:文献标识码:浮环气膜密封以其低磨损、低泄漏、易适应高转速工况等特点 ,有效的解决了高速流体机械中关键部位密封的难题,对提高气膜密封的稳态特性也逐渐成为流体机械动密封技术的一个新的重要研究方向 ,。在实际工程应用中通过提高气膜的刚度,使浮环和轴套较好的分离,避免转轴在高速旋转过程中与浮环接触、碰撞造成的摩擦磨损,达到对旋转机械轴端密封性能的改善,降低整机的耗油率,提高密封系统的工作寿命 。针
3、对干气密封气膜刚度系数的求解,国内外学者做了大量的研究工作,并取得了不菲的科研成果。等 建立了浮环密封的分析模型,计算出浮环密封运动的解析解,通过对浮环密封的动态特性系数计算和浮环运动轨迹的求解,对密封系统的稳定性进行了分析。等 研究了气浮轴承的静、动态特性,通过对气浮轴承非线性分布参数模型的数值计算,得到了气体介质薄膜的刚度系数和阻尼系数,推导出气浮轴承传递函数的气膜系数的解析关系,让气浮轴承的静态和动态特性的计算简便收稿日期:基金项目:年度甘肃省自然科学基金()作者简介:杨玺庆(),男,甘肃兰州人,讲师,硕士成为可能。等 提出浮环密封结构变化影响了旋转系统的密封特性,即在高压下,浮动环密封
4、圈的弹性变形对密封系统泄漏量的动态系数的影响。研究表明浮环的弹性变形减小了间隙厚度,间隙几何开始发散。对于泄漏量而言,弹性密封比刚性密封的流量小 。等 考虑了转子跳动和定子静态不对中影响的三维运动、具有气体稀薄效应的气膜润滑和面接触等过程,采用有限元法对瞬态雷诺过程进行了离散处理,耦合求解了密封系统动力学方程。以逆向的形式探索了密封性能与系统跟踪动态密封行为的时间历程以及动力学特性系数的变化规律。等 研究了高速转子系统在浮动密封环中旋转时的动力学问题,考虑到转轴与浮环之间随气体介质流动相互作用的影响,结果表明当转轴转速与浮环的部分频率一致时,浮环将变成高速转子系统中的阻尼器,而且转子刚度在流体
5、动力层上的增加比转速更快,流体动力的影响可能导致转子零界速度的消失。马纲等 建立了浮环密封的动力学模型,采用微扰线性化分布参数法对浮环密封双自由度微扰下气膜的动态特性参数进行了求解,研究结果为浮环密封系统稳定性分析提供了指导。戚社苗等 通过求解气体密封润滑的控制方程,获得了动压气体轴承动态刚度和阻尼系数。第 卷 第 期兰州石化职业技术学院学报 年 月 ,该成果从理论上解释动压气浮轴承的动力特性系数与轴颈扰动频率的密切相关性。密封气膜的刚度特性对系统动力分析有很大的影响,不合理的气膜特性参数是密封系统失稳的重要因素 。其中,如何选择合适的模型求解气膜刚度数值和结合工况选择合理的螺旋槽参数,进行动
6、力学特性的预测和分析,都是浮环密封优化和发展所面对的重要问题。尽管许多学者在气浮轴承动态特性研究方面做了大量的工作,但对浮环气膜密封径向刚度的计算和分析的文献较鲜见。笔者针对此问题建立浮环气膜密封数学模型,建立了符合浮环气膜密封流场的压力控制方程和气膜控制方程,利用有限差分法的耦合求解了控制方程,求出介质气体的气膜厚度和压力分布,从而得出密封气膜的刚度。基于 软件对气膜刚度系数进行了数值仿真。重点研究了转速、压强、螺旋角和偏心率对浮环气膜密封结构的气膜刚度系数的影响,并加以分析与讨论,为今后浮环气膜密封系统的设计和优化提供参考。浮环密封理论分析与模型建立 浮环密封结构及工作原理浮环密封系统结构
7、示意如图 所示。其中,为动压浮环中心位置,为旋转轴心,为偏心距,为偏位角,为圆周方向坐标,为旋转角速度,为轴套外半径。轴套与浮环密封圈采取偏心安装,在转轴高速旋转的过程中,依靠轴套外表面开设的微槽,高压侧的气体被泵吸入槽内,介质气体被压缩产生气膜压力,转轴与浮环之间形成动压密封气膜,避免转轴和浮环之间接触产生的摩擦磨损,提高了密封系统的使用寿命,并且达到了良好的密封效果。轴套;气膜;浮环;转轴图 浮环密封系统结构示意图 槽型结构的选择和优势 开设微槽槽型的选择轴套外表面开设的微槽按槽深可分为两类:一类是槽深为 量级的浅槽,另一类为槽深是 量级的深槽。开设不同深度的微槽作用机理不同,浅槽的密封机
8、理是旋转过程中更好的产生流体动压效应,深槽的密封机理是运转时剪切流产生的热量随泄漏量排出,密封副不热变形 。开设的微槽可以设计成不同槽形,其中比较经典槽型包括:单、双列螺旋槽型,单、双列一字平行槽。而且不同形状的微槽对浮环干气密封性能影响很大,合理的选择微槽界面结构对的到良好的稳定性至关重要 ,根据浮环气膜密封在极端工况条件下的使用要求,以及密封装置运行中注重稳态稳定性和承载能力要求高的应用特点 。选择单列螺旋槽界面结构作为密封基本形式进行研究,结构简图如图 所示。图 单列螺旋槽干气密封系统结构简图 开设微槽的优势随着流体机械逐渐向极端工况条件方向的发展,对非接触轴端密封技术也提出了苛刻的要求
9、。通常提高动压效应的有效途径是使用激光加工法 ,在非接触气膜密封的轴套外表面开设特定形状的微槽,转轴和轴套之间采用过盈配合,通过旋转轴高速旋转,泵入介质气体产生流体动压效应和楔形效应产生一层极薄的、稳定性良好的气膜,气膜承载力的增大,使轴套与浮环分离,从而达到更好地密封效果。高转速下稳定的气膜特性,使得轴套外表面开设微槽在非接触浮环密封中得到越来越多的应用。数值分析求解 浮环密封稳态气膜压力场计算 气体润滑控制方程浮环气膜密封的雷诺方程可以写成 ()()()()()式中,为轴套外半径;为极坐标;为气膜压兰 州 石 化 职 业 技 术 学 院 学 报 年力;为密封气膜厚度;为气体动力黏度;为气体
10、温度();为轴向坐标(),为旋转轴转速(),为时间()。模型建立在绝热、等粘度、层流条件下,所以气膜压力场是一个稳定的压力场,柱面坐标系下的该稳态压力场雷诺方程为:()()()()开设螺旋槽的气膜厚度应为槽深与无槽气膜厚度的总和 :()()式中 为槽深;为平均气膜厚度;为偏心率。数值计算网格划分采用有限差分法对雷诺方程的压力场进行的数值分析计算。浮环气膜密封存在槽型结构不一致、偏心下膜厚不均等和轴端两侧的压差,所以密封的气膜厚度和压力分布不是关于轴向中截面对称,故需要对浮环密封结构的润滑气膜进行网格划分和数值计算,计算域网格划分如图 所示。()()图 计算域网格划分示意图稳态雷诺方程的边界条件
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