基于速度滑移和溫度階躍的螺旋槽干氣密封氣膜流場研究.pdf

1、螺旋槽干氣密封被廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)中，其穩(wěn)定且可靠的的運(yùn)行直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的安全問題。近年來，在干氣密封的密封性能方面有了更深入的研究，使干氣密封的應(yīng)用范圍得到了極大的提高，從運(yùn)行的低轉(zhuǎn)速和低壓力擴(kuò)大到高轉(zhuǎn)速和高壓力。在介質(zhì)壓力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高的工作狀態(tài)下螺旋槽干氣密封的密封端面間會產(chǎn)生較大的熱量，從而使運(yùn)行不穩(wěn)定和泄漏量增大。本文通過引入螺旋槽干氣密封氣體流動的二階速度滑移邊界條件，對干氣密封的密封端面間氣膜的非線性動力學(xué)行為進(jìn)行

2、研究，求得干氣密封中相應(yīng)的動力學(xué)方程。同時引入溫度階躍邊界條件并推導(dǎo)出氣膜的能量微分方程。通過密封環(huán)的熱彈變形理論和二階非線性速度滑移邊界條件來分析研究螺旋槽干氣密封的密封性能，本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　在速度滑移邊界條件下，求出螺旋槽干氣密封密封端面間氣膜的壓力和速度，然后推導(dǎo)出氣膜的無熱耗散能量方程及有熱耗散能量方程，進(jìn)而利用氣膜的壓力、速度和能量方程，通過Maple和Matlab軟件求解槽內(nèi)氣膜的溫度分布。然后由氣

3、膜溫度對密封環(huán)變形的影響，求出密封環(huán)的熱變形量，從而求出干氣密封密封端面間氣膜的厚度。最后利用由雷諾方程推導(dǎo)出的泄漏量方程求得螺旋槽干氣密封的理論泄漏量，并將理論泄漏量與實(shí)驗測得的泄漏量作比較。研究結(jié)果表明:隨著密封氣體從密封環(huán)的外徑流入內(nèi)徑，干氣密封氣膜的溫度先升高，當(dāng)氣體到達(dá)槽根部附近時溫度達(dá)到最高，然后再隨著氣體的繼續(xù)流入氣膜溫度逐漸降低;密封環(huán)由溫度引起的幾何變形量與氣膜溫度的變化一致，然而密封端面間氣膜厚度的分布與密封環(huán)的熱彈

4、變形量相反;隨著密封環(huán)熱彈變形量的增加，干氣密封中的泄漏量也隨之增大;考慮熱彈變形下的泄漏量與實(shí)驗測得泄漏量數(shù)值較接近;熱耗散下考慮熱彈變形的泄漏量最接近于實(shí)驗值。
　　根據(jù)速度滑移邊界條件，求出氣膜壓力和氣膜速度;然后推導(dǎo)出氣膜的能量微分方程，同時引入溫度階躍邊界條件，進(jìn)而利用氣膜的壓力、速度和能量方程，通過Matlab軟件數(shù)值計算得到三維坐標(biāo)下氣膜的溫度分布。研究結(jié)果表明:隨著氣體從密封環(huán)外徑流入內(nèi)徑，氣膜速度的分布規(guī)律是先降

5、低后升高，槽根部周圍速度較低;隨著密封氣體從密封環(huán)的外徑流入內(nèi)徑，干氣密封氣膜的溫度先升高，當(dāng)氣體到達(dá)槽根部附近時溫度達(dá)到最高，然后再隨著氣體的繼續(xù)流入氣膜溫度逐漸降低，另外氣膜厚度方向上氣膜中間位置溫度較高;考慮溫度階躍下的溫度分布與不考慮溫度階躍下的溫度分布相差較小，因此在對干氣密封密封端面間氣膜溫度場研究時可以忽略溫度階躍對其的影響。
　　在流體的二階速度滑移邊界條件下對雷諾方程進(jìn)行推導(dǎo)，得出修正的廣義雷諾方程，并通過PH線

6、性化法和迭代法對修正型雷諾方程進(jìn)行求解，從而推導(dǎo)出氣膜的開啟力方程。然后由氣膜溫度對密封環(huán)變形的影響，求出密封環(huán)的熱彈變形量，從而得到干氣密封密封端面間氣膜的厚度。進(jìn)而利用氣膜剛度為開啟力與氣膜厚度之比求出氣膜剛度。然后通過建立熱彈變形下氣膜剛度和氣體泄漏量之間的協(xié)調(diào)函數(shù)，對剛漏比目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，從而對干氣密封的螺旋角進(jìn)行優(yōu)化，得到特定工況下相對應(yīng)的最優(yōu)螺旋角。研究結(jié)果表明:隨著密封氣體從密封環(huán)的外徑流入內(nèi)徑，干氣密封的剛漏比先增