基于熱耗散變形的干氣密封系統(tǒng)振動穩(wěn)定性研究.pdf

1、螺旋槽干氣密封被廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)中，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性是石化企業(yè)安全保障的關(guān)鍵。早期的螺旋槽干氣密封被應(yīng)用于低速低壓的工況下，但是隨著其應(yīng)用的進(jìn)一步拓展，其工況范圍也由低速低壓到高速高壓。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，從而發(fā)生運(yùn)行不穩(wěn)定及泄漏量增大。
　　本文在二階速度滑移邊界條件下求得相應(yīng)的干氣密封動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，考慮熱耗散下有熱彈變形對氣膜厚度、剛度的影響，揭示了干氣

2、密封系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的動力學(xué)行為并通過試驗進(jìn)行了比較分析。本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　通過二階非線性滑移邊界條件下的雷諾方程并利用PH線性化方法和迭代法求得氣膜推力和氣膜壓力，繼而對其進(jìn)行氣膜厚度的求導(dǎo)，得到二階非線性滑移邊界條件下的氣膜剛度的近似解析式。然后推導(dǎo)出氣膜考慮耗散下的能量微分方程，進(jìn)而利用氣膜的壓力、能量方程和二階非線性滑移邊界條件下的氣膜剛度的近似解析式，通過Matlab軟件求得螺旋槽內(nèi)氣膜剛度在不同壓力、轉(zhuǎn)速

3、、槽深、螺旋角的分布。結(jié)果表明：隨著壓力、轉(zhuǎn)速及槽深的增大，氣膜剛度隨之增大并在槽根部附近達(dá)到最大值且氣膜剛度的變化成非線性；在特定的工況下，螺旋角為75°左右時，氣膜剛度達(dá)到最大。這對優(yōu)化干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升干氣密封性能十分重要。
　　干氣密封系統(tǒng)的振動改變了動、靜密封環(huán)間的微尺度的間隙，從而影響到了螺旋槽干氣密封的密封性能?；诜蔷€性的振動理論，建立了氣膜—密封環(huán)系統(tǒng)的軸向振動及角向擺動模型，同時也考慮了熱耗散下有熱彈變形對

4、氣膜厚度、剛度的影響。在特定工況條件下，求解及擬合了非線性的氣膜的剛度、阻尼，并獲得了一個非線性受迫振動微分方程。求解了 Floquet指數(shù)在無外激勵的情況下，系統(tǒng)分岔的問題，并進(jìn)而分析了螺旋角對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，得到了密封系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時的螺旋角的數(shù)值范圍，并求得了螺旋角發(fā)生 Hopf分岔的數(shù)值。將計算得到的結(jié)果與無熱耗散有熱彈變形、無變形下的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，考慮熱耗散有熱彈變形下的系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角范圍比無熱耗散有熱彈變形

5、和無變形的螺旋角范圍更大。熱耗散熱彈變形下發(fā)生 Hopf分岔的分叉點(diǎn)位置相比無熱耗散有熱彈變形和無變形的分岔點(diǎn)更加突出。這與之前利用龍格—庫塔法研究的結(jié)果相一致，從而證明了利用該方法來計算的正確性。其結(jié)果說明，熱耗散有熱彈變形對干氣密封系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的干擾，對工程實(shí)際具有一定應(yīng)用價值。
　　通過螺旋槽干氣密封測試系統(tǒng)的相關(guān)試驗臺，測試得到了螺旋槽干氣密封系統(tǒng)振動穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)。為了使測試結(jié)果準(zhǔn)確無誤，特別采用了相關(guān)的抗干擾