螺旋槽干气密封高压端面变形机理的理论与实验研究

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1、浙江工业大学博士学位论文螺旋槽干气密封高压端面变形机理的理论与实验研究作者姓名：许静指导教师：彭旭东教授白少先研究员浙江工业大学机械工程学院2014年4月DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyfortheDegreeofDoctorAnalyticalandExperimentalInvestigationsontheEndFaceDeformationMechanismsforHighPressureSprialGroovedDryGasSealsCandidate：XujingAdvisor：PengxundongB

2、aishaoxianCollegeofMechanicalEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyApr2014浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：彳夺力宇日期：矽b年，月“日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学

3、校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书。2．不保密嘶(请在以上相应方框内打“√”)％％月月，o年年几丫，渺以似驯冽期期纱L睨惑衍犷名名签签者师作导浙江工业大学博士学位论文螺旋槽干气密封高压端面变形机理的理论及实验研究摘要随着流体机械向高速、高压等工况的发展，密封环端面高压机械变形导致的磨损失效问题日益突出。论文对高压工况下干气密封的气膜

4、特性、端面变形机理和变化规律开展了理论与实验研究，主要工作包括：首先，在对气膜实际特性影响分析中，基于气体润滑理论，综合考虑密封气膜的热力学特性和表面微尺度效应，建立了高压气膜润滑密封特性分析模型，揭示了高压工况下热粘效应、表面粗糙度效应、界面滑移效应对密封端面气膜压力分布及密封性能的影响规律。研究发现，高压实际热力过程与等温过程相近；热粘效应能提高密封承载力，并对密封性能影响起主导作用；表面粗糙度有利于提高密封动压效应及稳定性，降低泄漏量；滑移流效应使泄漏率增大。接着，分别基于圆环理论和弹性力学基本理论，建立扭转变形无量纲计算模型和流固耦合计算模型，提出端面膜压引起端面扭转变形的计算方

5、法，结果表明：膜压变形可提高密封稳定性和动压效应，但泄漏率增大；当p23MPa时，开启力受其影响较小，而泄漏率和稳定性影响相对较大；当h记31ma时，膜压变形的影响可忽略不计。本文操作条件下螺旋槽端面几何参数优选值为槽数Ng=12，槽深比飓=3，螺旋角a=15。，槽坝比g=0．7，槽台宽比e=1．0。扭转变形使端面沿泄漏方向形成发散间隙，复杂截面密封环上台阶的长或宽小于3mm时，可直接忽略台阶影响。扭转角随台阶半径比和长度比以及O形圈位置的长度比的增大而增大，随台阶宽度比、内径的增大而减少，其中台阶宽度比的影响最为显著；相比密封结构，O形圈位置影响较小。综合变形使端面形成发散间隙，其中以

6、扭转变形的影响为主，结构因素在高压干气密封设计中占主导地位。综合变形使开启力降低，泄漏率增大；高压条件下，转速对密封膜压、膜厚和变形的影响不大。单位面积所受承载力大的静环(结构b)端面变形和膜厚大于承载力小(结构a)的环，结构a的开启力大于结构b，结构a的泄漏量小于结构b。当O型圈的位置远离密封端面(a处)时，端面变形影响较大，密封端面开启较为困难，泄漏量大；当O型圈的位置接近密封端面(b处)时，端面变形影响较小，开启相对容易，泄漏量小，但影响不如结构尺寸的影响显著。最后，通过搭建高压干气密封实验台，测试膜厚、泄漏率、端面磨损等数据，研究摘要了高压干气密封端面的变形机理。实验表明：实测泄

7、漏率及膜厚与理论计算值趋势一致，数值结果基本吻合。5MPa压力下各结构因素的膜厚在4．0岬至6．1l,tm之间，此时密封具有良好的静压开启性能。结构因素对密封开启性能影响较大，结构尺寸对变形和密封性能的影响大于密封圈位置的影响，运行后的密封端面外径处出现磨损，沿径向的磨损长度、磨损量、粗糙度及泄漏率的分布或变化规律与理论计算结果一致，验证了高压干气密封变形和磨损之间的关系和上述分析计算模型的合理性。论文的研究成果系统地完善了干气密封