靜壓干氣密封微尺度氣膜力學(xué)特性

張偉政， 李水平， 丁雪興， 席喜林

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

靜壓干氣密封微尺度氣膜力學(xué)特性

張偉政， 李水平， 丁雪興， 席喜林

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

根據(jù)靜壓干氣密封的特點(diǎn)，以氣體雷諾方程為依據(jù)，通過(guò)伽遼金法得到潤(rùn)滑氣膜壓力分布的變分方程，由氣膜的邊界條件，得到用有限元法求解穩(wěn)態(tài)下氣膜雷諾方程。并利用多項(xiàng)式擬合得到不同工況下的壓力擬合曲線，計(jì)算得到開(kāi)啟力F。由不同膜厚下開(kāi)啟力的大小擬合出開(kāi)啟力與膜厚的函數(shù)關(guān)系式，及對(duì)膜厚求導(dǎo)得到氣膜剛度與氣膜厚度的關(guān)系式。結(jié)果表明，在靜環(huán)密封端面徑向上壓力，由節(jié)流孔處向內(nèi)徑和外徑處呈現(xiàn)拋物線型遞減趨勢(shì)，在節(jié)流孔處出現(xiàn)壓力最高峰；隨著氣膜厚度的增加，開(kāi)啟力逐漸減小，氣膜剛度也逐漸減小。

數(shù)值模擬； 氣膜剛度； 穩(wěn)態(tài); 伽遼金法； 微尺度

目前在高轉(zhuǎn)速設(shè)備密封中，干氣密封是發(fā)展比較迅速的新型密封類(lèi)型。為了使干氣密封的應(yīng)用更加廣泛，適用于更多工程應(yīng)用，提出靜壓式氣膜密封，用于低轉(zhuǎn)速設(shè)備中[1-2]。在低轉(zhuǎn)速下，不能形成足夠的氣膜開(kāi)啟力推開(kāi)密封端面，進(jìn)而高速動(dòng)壓效應(yīng)理論已經(jīng)不能適用，這就需要建立一套適用低轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的干氣密封潤(rùn)滑理論來(lái)指導(dǎo)工程方面的應(yīng)用[3-4]。

干氣密封主要依靠密封軸的轉(zhuǎn)速，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下形成動(dòng)壓效應(yīng)，從而使動(dòng)靜環(huán)分開(kāi)。然而在低轉(zhuǎn)速設(shè)備中，如反應(yīng)釜，不能形成穩(wěn)定工作下所需要的氣膜剛度。靜壓式干氣密封適用于低轉(zhuǎn)速設(shè)備軸端密封，其穩(wěn)定運(yùn)行的條件之一是有穩(wěn)定的氣膜剛度?？紤]到靜壓干氣密封結(jié)構(gòu)，靜環(huán)端面的開(kāi)槽深度及在端面的位置、靜環(huán)端面節(jié)流孔的特性參數(shù)、密封間隙等都成為影響穩(wěn)定運(yùn)行的因素。供氣壓力、出口壓力、節(jié)流孔直徑及個(gè)數(shù)等節(jié)流孔特性參數(shù)是靜壓干氣密封能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是提高密封使用壽命的關(guān)鍵。

為使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際工況，將密封端面的節(jié)流孔特性考慮進(jìn)去，這增加了求解方程的難度。而解決這一難題的方法主要是通過(guò)有限元法[5-6]或者差分法[7-8]來(lái)求解加入氣源后的雷諾方程。杜建軍等[9]利用有限元法，計(jì)算出氣膜在軸承內(nèi)部的壓力分布方程，并分析出氣膜壓力在軸承內(nèi)部的變化規(guī)律。金朝旭等[10]根據(jù)氣體潤(rùn)滑理論，使用有限元法求解靜壓下干氣密封端面的雷諾方程，討論分析了不同轉(zhuǎn)速和不同靜壓結(jié)構(gòu)下，氣膜剛度等因素對(duì)密封性能的影響規(guī)律。余建平[11]利用有限差分法來(lái)求解氣膜密封的雷諾方程，研究分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同的操作參數(shù)對(duì)靜壓干密封端面性能的影響。

綜上所述，帶節(jié)流孔修正后的二階偏微分雷諾方程的求解難度大，有限差分法的收斂差，計(jì)算效率低。有限元法在氣體軸承的使用，結(jié)合精確計(jì)算軸承內(nèi)氣體雷諾方程，采用伽遼金法將雷諾方程進(jìn)行變分化簡(jiǎn)。利用有限元法設(shè)置壓力分布的插值函數(shù)，得到離散化的雷諾方程，再通過(guò)MATLAB編程，得到外加壓式靜壓干氣密封端面壓力分布的計(jì)算程序，根據(jù)不同工況下運(yùn)行情況，分析氣膜剛度的穩(wěn)定及其變化規(guī)律。通過(guò)上述理論和方程計(jì)算，為靜壓干氣密封在穩(wěn)定下運(yùn)行提供參考，也為生產(chǎn)出良好的產(chǎn)品，生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 工作原理

在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的干氣密封的主要基礎(chǔ)理論是靜壓氣體潤(rùn)滑軸承理論[12]，通過(guò)外界提供的氣體壓力，在密封端面間形成穩(wěn)定可靠的且使動(dòng)靜環(huán)分開(kāi)的力，從而實(shí)現(xiàn)端面間的氣膜密封。因氣源供氣方式的不同，將靜壓干氣密封分為自加壓式和外加壓式兩類(lèi)。靜壓干氣密封的外加壓式典型結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]。

圖1 外加壓式干氣密封

Fig.1Externalpressurizedaerostaticdrygasseal

靜環(huán)端面的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在靜環(huán)的端面開(kāi)有節(jié)流孔，背部用作氣源氣體流通的通道，通過(guò)外界供氣，在端面形成穩(wěn)定壓力。因?yàn)橛歇?dú)立的供氣系統(tǒng)，端面間的壓力比較穩(wěn)定，更加可靠。所以，選擇對(duì)外加壓式干氣密封的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析。

圖2 靜環(huán)端面

Fig.2Staticringsealface

2 理論模型

2.1 力學(xué)模型

對(duì)外加壓式靜壓干氣密封進(jìn)行受力分析(見(jiàn)圖3)，當(dāng)靜壓干氣密封系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，端面間壓力的變化引起氣膜厚度的變化、開(kāi)啟力的變化。基于氣膜厚度與開(kāi)啟力之間關(guān)系，建立靜壓干氣密封系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況條件下的力學(xué)模型。

圖3 靜壓干氣密封受力示意圖

Fig.3Theforcediagramofaerostaticdrygasseal

2.2 數(shù)學(xué)方程

2.2.1 穩(wěn)態(tài)下的雷諾方程 利用靜壓氣體軸承潤(rùn)滑理論和流體力學(xué)等相關(guān)理論[14]，考慮節(jié)流孔氣體流量的影響，推導(dǎo)出適用于外加壓式靜壓干氣密封在穩(wěn)定運(yùn)行下的雷諾方程：

式中，η為氣體動(dòng)力黏度;h為氣膜厚度;p為氣膜壓力;r(θ)為密封端面的極坐標(biāo);δi為Kronecker數(shù)，在無(wú)孔處為0，在有孔處為1。Q為節(jié)流孔處的流量，Q=24pv[12],v為節(jié)流孔氣體流速。

邊界條件為:p|r=r1=pa，p|r=r2=pn。r1、r2分別為密封環(huán)端面內(nèi)徑和外徑。

2.2.2 變分方程的建立 利用伽遼金方法[15]將上述所得到的雷諾方程進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到無(wú)量綱的伽遼金方程：

式中，ε為方程余量，δf為氣膜無(wú)量綱壓方的變分，Ω為解域。

將式(4)代入到伽遼金方程得：

利用分步積分和高斯公式來(lái)簡(jiǎn)化解域?yàn)棣傅淖兎址匠蹋傻茫?/p>

式(6)即為有限元求解的出發(fā)點(diǎn)。

再取變換式：

在式(7)的變換之下，圖4(b) 的扇形將變換為圖4(c)所示的矩形，相應(yīng)的網(wǎng)格亦成為矩形，進(jìn)一步劃分為三角形的有限單元。

圖4 計(jì)算區(qū)域

Fig.4Calculationarea

2.2.4 方程的離散 通過(guò)對(duì)Ω解域進(jìn)行劃分，形成M個(gè)三角形單元后，變分方程(6)對(duì)整個(gè)解域的積分就可以簡(jiǎn)化為M個(gè)單元，面積為Δe的積分之和。即為：

解域內(nèi)任意點(diǎn)的氣膜壓力可以由解域內(nèi)劃分節(jié)點(diǎn)的壓力來(lái)表示。通過(guò)線性插值函數(shù)，得到在每個(gè)單元上的剛度矩陣，再組合起來(lái)寫(xiě)成矩陣形式，其形式為：

最后，通過(guò)超松弛迭代法進(jìn)行求解，即可求出壓力分布。

2.2.5 端面開(kāi)啟力和氣膜剛度特性的計(jì)算

(1) 開(kāi)啟力

密封處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟力等于閉合力：

根據(jù)有限元法算得端面壓力分布，通過(guò)二次多項(xiàng)式擬合得到壓力函數(shù)p(r)，進(jìn)而得到開(kāi)啟力，即

(2)氣膜剛度

根據(jù)考慮的方向不同分別有軸向氣膜剛度和角向氣膜剛度。本文以軸向氣膜剛度為例分析，即：

3 分析與討論

3.1 算例

圖5 靜環(huán)端面壓力分布

Fig.5Pressuredistributionofstaticringsealface

從圖5中可知，在靜環(huán)端面徑向上，壓力由節(jié)流孔處向內(nèi)徑、外徑呈拋物線型遞減趨勢(shì)；在周向上，由節(jié)流孔處逐漸遞減至兩節(jié)流孔中間。在節(jié)流孔處壓力達(dá)到最大值為0.352 182 MPa。在兩節(jié)流孔中間內(nèi)徑位置處取最小值為0.181 328 MPa。

3.2 不同工況下開(kāi)啟力分布

在不同工況計(jì)算得到端面壓力分布函數(shù)，通過(guò)開(kāi)啟力公式計(jì)算得到圖6曲線。從圖6中可以看出，不同工況下隨著氣膜厚度的增加，節(jié)流孔徑的增加，開(kāi)啟力逐漸減小。分析得出，氣體流量一定時(shí)，氣膜厚度增大，引起開(kāi)啟力減??；氣膜厚度一定的情況下，由節(jié)流孔流量計(jì)算公式可知，隨著節(jié)流孔徑的增大，氣體流量增加，使端面開(kāi)啟力增加。因此，隨氣膜厚度逐步增加，開(kāi)啟力呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

圖6 不同工況下開(kāi)啟力分布

Fig.6Openforcedistributionofdifferentconditions

3.3 不同工況下氣膜剛度分布

不同工況下氣膜剛度分布如圖7所示。從圖7中可以看出，靜壓干氣密封處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，隨著氣膜厚度的增加，氣膜的剛度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。隨著節(jié)流孔的增加，氣膜剛度在增加。節(jié)流孔徑較小時(shí)，隨著氣膜厚度的增加，氣膜剛度遞減的速度較快。為使靜壓干氣密封在運(yùn)行時(shí)起到更好的密封效果，應(yīng)使穩(wěn)定運(yùn)行下的氣膜厚度達(dá)到最小值?？紤]到較小的節(jié)流孔不易加工，應(yīng)使節(jié)流孔直徑增大一些，得到足夠的氣膜剛度。

圖7 不同工況下氣膜剛度分布

Fig.7Filmstiffnessdistributionofdifferentconditions

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)靜壓干氣密封系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的分析模型，給出了建立變分方程的方法和過(guò)程，進(jìn)一步給出了基于有限元數(shù)值方法求解氣膜壓力分布的方法和過(guò)程，通過(guò)編寫(xiě)程序算出了端面氣膜壓力分布圖。

(2) 在靜環(huán)端面徑向上，由節(jié)流孔出來(lái)的氣體壓力向內(nèi)徑和外徑逐漸遞減，節(jié)流孔處的壓力為最大值。在2 μm氣膜厚度的工況下，壓力最大值為0.352 182 MPa，最小值為0.181 328 MPa。

(3) 徑向壓力由節(jié)流孔向內(nèi)徑和外徑方向呈近似拋物線狀下降，壓力最大值出現(xiàn)在節(jié)流孔處，在氣膜厚度為2 μm時(shí)。

(4) 根據(jù)壓力圖的分布趨勢(shì)，利用二次多項(xiàng)式擬合，得到不同工況下不同膜厚端面壓力擬合函數(shù)關(guān)系式與函數(shù)圖，分析不同氣膜厚度對(duì)開(kāi)啟力與氣膜剛度的影響。

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Mechanical Properties of Aerostatic Dry Gas Seal Microscale Gas Film

Zhang Weizheng， Li Shuiping， Ding Xuexing， Xi Xilin

(CollegeofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology，LanzhouGansu730050,China)

According to the characteristics of aerostatic dry gas seals and the gas Reynolds equation, Galerkin method was used to derive the variational equations of pressure distribution of the gas film. Based on the gas film boundary conditions, the derivation process using the finite element method of the steady-state Reynolds equations was given. The pressure fitting curves of different thicknesses of the gas films were obtained by using polynomial fitting. In addition, the opening force was carried out. The fitting formula of the opening force and the film thinckness was obtained according to the opening force of the different film thicknesses.The relationship of the film stiffness and the film thickness was obtained by the derivation of the film thickness.The pressure distribution of the stationary seal ring end face was obtained. A parabolic decreasing trend is showed from the orifice to the inner and outer diameters in the radial direction of the stationary ring seal face. Pressure peak occurs at the orifice. With the increase of the gas film thickness, opening force and gas film stiffness decrease.

Numerical simulation; Gas flim stiffness; Steady state; Galerkin method; Microscale

2017-04-11

2017-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565029,51165020);甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(145RJZA083)。

張偉政(1978-)，男，博士，副教授，從事流體動(dòng)密封與閥門(mén)相關(guān)技術(shù)研究；E-mail：zhangweiz@163.com。

丁雪興(1964-)，男，博士，教授，從事流體動(dòng)密封方面研究；E-mail：xuexingding@163.com。

1006-396X(2017)06-0079-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE964； TQ 051

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.015

(編輯 王亞新)