螺旋槽干氣密封氣膜剛度測試與穩(wěn)定性分析

丁雪興，張海舟，蘇 虹，趙 芳，李 馳

(1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州730050;2.湖北天力敏科技有限公司，湖北 襄陽441057)

近年來，由于干氣密封在穩(wěn)定性方面要求越來越高，而氣膜剛度的穩(wěn)定性是保證干氣密封在穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此關(guān)于氣膜剛度的研究顯得尤為重要。Green等［1］用有限體積法同步的解潤滑方程和動(dòng)力學(xué)方程，得出了一些密封參數(shù)諸如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速、錐度、壓力等對(duì)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的影響，給出了密封穩(wěn)定運(yùn)行臨界轉(zhuǎn)速。Miller等［2］對(duì)螺旋槽端面密封環(huán)在軸向和2個(gè)角向自由度上的運(yùn)動(dòng)加以分析，用直接數(shù)值頻率響應(yīng)法計(jì)算氣膜的剛度和阻尼特性。Zhang等［3］建立了單自由度三維微擾運(yùn)動(dòng)方程，并用正交分解法求得密封環(huán)三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律。劉雨川等［4］應(yīng)用微擾方法和有限元法，對(duì)端面氣膜密封三自由度微擾下，密封氣膜的剛度和阻尼系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值求解。徐萬孚等［5］設(shè)計(jì)制造了“W A n def 28型”螺旋槽干運(yùn)行非接觸氣體密封并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)與穩(wěn)定性分析。馮向忠等［6］針對(duì)螺旋槽氣體端面密封結(jié)構(gòu)，用有限元法計(jì)算了密封端面的氣膜壓力分布及密封的氣膜剛度和泄漏量等特性參數(shù)。王之櫟等［7］用有限元方法計(jì)算了兩個(gè)端面的氣膜剛度和阻尼。宮燃等［8］應(yīng)用動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)密封油膜的剛度和阻尼系數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解，分析了角微擾動(dòng)與偏轉(zhuǎn)力矩關(guān)系。杜兆年等［9］推導(dǎo)了干氣密封螺旋槽內(nèi)瞬態(tài)微尺度流動(dòng)場的非線性雷諾方程，得到了氣膜軸向剛度的近似解析解，并通過動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，獲得了穩(wěn)定性最佳的螺旋槽幾何參數(shù)值。丁雪興等［10］應(yīng)用PH線性化方法及變分運(yùn)算干氣密封螺旋槽內(nèi)瞬態(tài)微尺度流動(dòng)場的非線性雷諾方程，通過動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，獲得了不同介質(zhì)粘度、壓力和轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定性最佳的螺旋角數(shù)。并用二階非線性滑移邊界條件推導(dǎo)出修正的廣義雷諾方程，計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速和壓力下氣膜剛度數(shù)值［11］。張偉政等［12］建立了角向振動(dòng)下氣膜 -密封環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，得到密封系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，并分析了最佳穩(wěn)定點(diǎn)和臨界點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)。以上用數(shù)值模擬的方法對(duì)氣膜剛度和阻尼的軸向、角向振動(dòng)響應(yīng)的研究較多，但用試驗(yàn)方法對(duì)干氣密封的動(dòng)態(tài)特性測試較少，尤其是在特性參數(shù)(軸向、角向氣膜剛度和阻尼)和氣膜位移的振動(dòng)響應(yīng)的測試較少，本文對(duì)軸向氣膜剛度和氣膜振動(dòng)位移響應(yīng)進(jìn)行了測試，為用理論方法計(jì)算氣膜剛度提供了一個(gè)數(shù)量級(jí)參考，并對(duì)實(shí)際的工程有指導(dǎo)作用。

1 干氣密封測試技術(shù)

1.1 干氣密封測試系統(tǒng)

干氣密封測試系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括:試驗(yàn)臺(tái)，傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)。軟件系統(tǒng)主要由Labview軟件開發(fā)的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。干氣密封測試系統(tǒng)原理流程圖，如圖1所示:

干氣密封測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖2所示:

干氣密封測試系統(tǒng)傳感器接線實(shí)物圖如圖3所示:

圖1 干氣密封測試系統(tǒng)原理流程圖Fig.1 Principle flow chart of dry gas seal Test system

圖2 干氣密封測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.2 The physical map of test bed on dry gas seal test system

圖3 傳感器接線實(shí)物圖Fig.3 The physical map of sensor wiring

1.2 氣膜剛度的測試原理

1.2.1 氣膜剛度的計(jì)算公式

氣膜剛度等于端面氣膜壓力變化量與氣膜軸向振動(dòng)位移變化量的比值，如公式(1)，

其中:Kg為氣膜剛度，Ks為彈簧剛度，Δx為彈簧軸向振動(dòng)位移變化量，即靜環(huán)軸向振動(dòng)位移，Δδ為氣膜軸向振動(dòng)位移變化量，ΔF為彈簧彈力的變化量，即端面氣膜壓力變化量，在本實(shí)驗(yàn)，干氣密封測試系統(tǒng)選用剛度Ks=50 N/mm的彈簧。

1.2.2 氣膜軸向振動(dòng)位移變化量Δδ的測量

本實(shí)驗(yàn)選用ST-GL型高精度微型電渦流傳感器來測量。傳感器探頭的安裝剖面圖如圖4所示，將氣膜振動(dòng)傳感器探頭安裝在靜環(huán)端面相隔120o徑向位置，傳感器探頭埋在靜環(huán)端面內(nèi)粘牢后，靜環(huán)端面與探頭端面一起研磨，使得靜環(huán)端面與探頭端面平齊。然后由傳感器采集氣膜軸向振動(dòng)位移信號(hào)，經(jīng)接口電路傳送到計(jì)算機(jī)，再由Labview軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，氣膜軸向振動(dòng)位移變化量即被測得。

1.2.3 靜環(huán)軸向振動(dòng)位移變化量Δx的測量

靜環(huán)軸向振動(dòng)位移變化量的測量選用ST-GL型高精度微型電渦流傳感器。傳感器探頭垂直安裝在干氣密封端蓋端面相隔120o徑向位置處，安裝剖面圖如圖4所示。傳感器探頭埋在端蓋端面內(nèi)粘牢后，然后由傳感器采集靜環(huán)軸向振動(dòng)位移信號(hào)，經(jīng)接口電路傳送到計(jì)算機(jī)，再由Labview軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，靜環(huán)軸向振動(dòng)位移變化量即被測得。

圖4 傳感器安裝剖面圖Fig.4 Sectional drawing of sensor installation

1.3 干氣密封測試系統(tǒng)抗干擾采取措施

1.3.1 關(guān)鍵部件的選取

本實(shí)驗(yàn)是在氣膜厚度極薄，振動(dòng)量極小的微米級(jí)情況下進(jìn)行測量，且在密封腔內(nèi)部進(jìn)行測量，所以測量難度極大，一般位移傳感器難以對(duì)如此小的位移變化做出精確響應(yīng)。所以本實(shí)驗(yàn)針對(duì)此類問題，選用高精度改進(jìn)型微型傳感器和采用了導(dǎo)磁性較好的硬質(zhì)合金(碳化鎢)作為動(dòng)環(huán)材質(zhì)進(jìn)行微尺度測量試驗(yàn)研究。

1.3.2 具體抗干擾措施的采取

為了提高干氣密封測試系統(tǒng)的精度，采取了一系列的抗干擾措施:降低干擾源的干擾，采用接地技術(shù)可以在一定程度上消除設(shè)備帶來的干擾;提高傳輸通道的抗干擾能力，盡量縮短傳導(dǎo)線的長度，并采用了屏蔽技術(shù)，所有傳感器導(dǎo)線采用了高密屏蔽銅網(wǎng)，減少干擾磁場的影響;提高敏感測試設(shè)備的抗干擾能力，將原來輸入阻抗為10M提高到了1G，保證干擾電流不會(huì)影響流入信號(hào)。

2 氣膜剛度測試與穩(wěn)定性分析

2.1 相同壓力不同轉(zhuǎn)速下的氣膜剛度測試與穩(wěn)定性分析

選用工況:壓力P=0.4MPa，轉(zhuǎn)速n分別為500 r/min，1 000 r/min，2 000 r/min，3 000 r/min。此工況下的氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖(如圖5)和靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖(如圖6)。

2.1.1 氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析

由圖5可知:當(dāng)壓力P=0.4 MPa，轉(zhuǎn)速n=500 r/min，1 000 r/min，2 000 r/min，3 000 r/min 時(shí)氣膜振動(dòng)位移變化量分別為 0.113 μm，0.094 μm，0.068 μm，0.057 μm。在相同壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，氣膜振動(dòng)位移變化量隨之減小，即在相同壓力下，轉(zhuǎn)速越大，氣膜振動(dòng)穩(wěn)定性越好。

圖5 氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖(P=0.4 MPa)Fig.5 Gas film vibration and spectral analysis diagram(P=0.4 MPa)

2.1.2 靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析

由圖6可知:當(dāng)壓力P=0.4 MPa，轉(zhuǎn)速n=500 r/min，1 000 r/min，2 000 r/min，3 000 r/min 時(shí)靜環(huán)振動(dòng)位移變化量分別為 30.3 μm，28.8 μm，29 μm，28.3 μm。

2.1.3 氣膜剛度的計(jì)算

將2.1.1 和2.1.2 中數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得:當(dāng)壓力P=0.4 MPa，轉(zhuǎn)速n=500 r/min，1 000 r/min，2 000 r/min，3 000 r/min時(shí)氣膜剛度分別為0.013 4 kN/μm，0.015 3 kN/μm，0.021 3 kN/μm，0.024 8 kN/μm。在壓力p=0.4 MPa下轉(zhuǎn)速-氣膜剛度的關(guān)系圖如圖7所示。

圖6 靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖(P=0.4 MPa)Fig.6 Stationary seal ring vibration and spectral analysis diagram(P=0.4 MPa)

2.1.4 氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性分析

在相同壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，氣膜振動(dòng)位移變化量隨之減小，且由圖7知:在相同壓力下，氣膜剛度隨轉(zhuǎn)速增大而增大。

這與在相同壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，動(dòng)壓效果越好，氣膜剛度越大，氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性越好的機(jī)理相吻合。

2.2 相同轉(zhuǎn)速不同壓力下的氣膜剛度測試與穩(wěn)定性分

2.2.1 氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析

圖7 相同壓力下轉(zhuǎn)速-氣膜剛度關(guān)系圖Fig.7 The relationship chart of revolving speed and gas film in the same pressure

選用工況:轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，壓力P分別為0.2 MPa，0.3 MPa，0.5 MPa。此工況下的氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析(如圖8)和靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析(如圖9)。

圖8 氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖(n=2 000 r/min)Fig.8 Gas film vibration and spectral analysis diagram(n=2 000 r/min)

由圖5(c)和圖8可知:當(dāng)n=2 000 r/min條件下，壓力P分別為0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa 時(shí)氣膜振動(dòng)位移變化量分別為 0.104 μm，0.085 μm，0.068 μm，0.054 μm。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著壓力的增加，氣膜振動(dòng)位移變化量隨之減小，即在相同轉(zhuǎn)速下，壓力的越大，氣膜振動(dòng)穩(wěn)定性越好。

2.2.2 靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析

圖9 靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析(n=2 000 r/min)Fig.9 Stationary seal ring vibration and spectral analysis diagram(n=2 000 r/min)

由圖6(c)和圖11可知:轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，壓力P分別為 0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa 時(shí)，靜環(huán)振動(dòng)位移變化量分別為 25.7 μm，28.1 μm，29 μm，30.4 μm。

2.2.3 氣膜剛度的計(jì)算

將 2.2.1 和2.2.2 中的數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得:當(dāng)轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，壓力P分別為 0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa 時(shí)氣膜剛度分別為 0.012 4 kN/μm，0.016 5 kN/μm，0.021 3 kN/μm，0.027 9 kN/μm。在轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min下壓力-氣膜剛度的線性關(guān)系圖如圖10所示。

2.2.4 氣膜剛度的穩(wěn)定性分析

圖10 相同轉(zhuǎn)速下壓力-氣膜剛度關(guān)系圖Fig.10 The relationship chart of pressure and gas film at the same revolving speed

在相同轉(zhuǎn)速下，隨著壓力的增加，氣膜振動(dòng)位移變化量隨之減小，氣膜振動(dòng)越穩(wěn)定且由圖10知:在相同轉(zhuǎn)速下，氣膜剛度隨壓力的增大而增大。這與在相同轉(zhuǎn)速下，隨著壓力的增加，氣膜開啟力增大，氣膜剛度也隨之越大，氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性越好的機(jī)理相吻合。

3 不同螺旋角對(duì)氣膜剛的影響

在壓力P=0.4 MPa，轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min條件下，當(dāng)螺旋角 β=73.9°，β =74.1°時(shí)氣膜振動(dòng)和靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖分別如圖11和圖12。

圖11 不同螺旋角下氣膜振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖Fig.11 Gas film vibration and spectral analysis diagram on different spiral angle

由圖11和圖12可知:在壓力P=0.4 MPa，轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min 條件下，當(dāng)螺旋角 β =73.9°，β =74.1°時(shí)氣膜振動(dòng)位移變化量和靜環(huán)振動(dòng)位移變化量分別為0.147 5 μm，0.138 7 μm 和 31 μm 和 30.2 μm。代入公式(1)，得螺旋角 β =73.9°，β =74.1°的氣膜剛度分別為 0.010 5 kN/μm，0.010 9 kN/μm，又由 3.13 知 β=74°時(shí)氣膜剛度為0.021 3 kN/μm。在P=0.4 MPa，轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min下螺旋角-氣膜剛度的線性關(guān)系圖如圖13所示。

圖12 不同螺旋角下靜環(huán)振動(dòng)波形圖和頻譜分析圖Fig.12 Stationary seal ring and spectral analysis diagram on different spiral angle

圖13 螺旋角-氣膜剛度的關(guān)系圖Fig.13 The relationship chart of spiral angle and gas film stiffness

由圖13知:特定的工況下，在試驗(yàn)所測試的三種不同螺旋角，當(dāng)螺旋角β=74°時(shí)，氣膜剛度最大，氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性最好。由于在本試驗(yàn)中只測試了三種不同的螺旋角，所以不能得出螺旋角與氣膜剛度的具體關(guān)系，但是可知?dú)饽偠戎祵?duì)螺旋角的變化很敏感，即氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性對(duì)螺旋角的變化很敏感。因此選取合適的螺旋角可增加氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)工況:介質(zhì)氣體的壓力變化范圍0.2-0.5 MPa，轉(zhuǎn)速變化范圍為500-3 000 r/min，測得氣膜剛度值的范圍為 0.01-0.03 kN/μm，這與文獻(xiàn)［11］中的理論計(jì)算值相符。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:氣膜剛度隨著壓力的升高和轉(zhuǎn)速的增大而增大，且氣膜剛度分別與壓力和轉(zhuǎn)速的變化基本成線性關(guān)系;由試驗(yàn)知?dú)饽偠戎祵?duì)螺旋角的變化很敏感，因此選取合適的螺旋角可增加氣膜振動(dòng)的穩(wěn)定性。這在理論計(jì)算和實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化有指導(dǎo)作用。

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