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螺旋槽機械密封穩態性能解析法分析 版權信息
- ISBN：9787030749864
- 條形碼：9787030749864 ; 978-7-03-074986-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
螺旋槽機械密封穩態性能解析法分析 內容簡介
數值模擬也叫計算機模擬。依靠電子計算機，結合有限元或有限容積的概念，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。全書以螺旋槽機械密封性能分析為主線，利用模擬軟件，通過數值模擬算例，結合解析法模擬分析了密封端面間流體膜的穩態性能，包括液體潤滑螺旋槽機械密封和氣體潤滑螺旋槽機械密封（干氣密封）。全書共分5章，內容包括螺旋槽機械密封基本概念、螺旋槽機械密封端面間流體膜穩態性能分析的軟件模擬方法、液體潤滑螺旋槽機械密封性能模擬、氣體潤滑機械密封性能模擬、實際氣體效應對氣體潤滑機械密封性能的影響。
螺旋槽機械密封穩態性能解析法分析 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 螺旋槽機械密封 1
1.1.1 液體潤滑螺旋槽機械密封 1
1.1.2 氣體潤滑螺旋槽機械密封(干氣密封) 3
1.2 螺旋槽機械密封端面流體膜性能分析——近似解析法的研究進展 5
參考文獻 7
第2章 螺旋槽機械密封端面間流體膜穩態性能分析的近似解析方法 9
2.1 螺旋槽機械密封端面的幾何形狀 9
2.2 螺旋槽機械密封的基本工作原理 10
2.3 螺旋槽機械密封端面流體膜的壓力控制方程 12
2.3.1 光滑區(密封壩)流體膜的壓力控制方程 12
2.3.2 螺旋槽區流體膜的壓力控制方程(窄槽理論) 20
2.4 液體潤滑螺旋槽機械密封壓力分布的近似解析分析 22
2.4.1 泵出式液體潤滑螺旋槽機械密封 22
2.4.2 泵入式液體潤滑螺旋槽機械密封 23
2.5 氣體潤滑螺旋槽機械密封壓力分布的近似解析分析 24
2.5.1 泵出式氣體潤滑螺旋槽機械密封 24
2.5.2 泵入式氣體潤滑螺旋槽機械密封 25
2.6 機械密封端面間流體膜的穩態性能 26
2.6.1 流體膜的流動狀態 26
2.6.2 端面的開啟力 27
2.6.3 流體膜的剛度 27
2.6.4 流體膜的溫度分布 27
2.6.5 流體膜的剪切摩擦力矩 27
2.7 滑移流效應 28
2.8 實際氣體效應 29
參考文獻 31
第3章 液體潤滑螺旋槽機械密封 32
3.1 泵出式(上游泵送)液體潤滑螺旋槽機械密封 32
3.1.1 密封性能參數計算 32
3.1.2 密封性能影響因素分析 34
3.2 泵入式(下游泵送)液體潤滑螺旋槽機械密封 39
3.2.1 密封性能計算 40
3.2.2 密封性能影響因素分析 41
3.3 存在氣液界面的螺旋槽機械密封及其流體膜特性 46
3.3.1 “零壓差零泄漏”模型 46
3.3.2 端面間流體膜的壓力分布 48
3.3.3 氣液分界面半徑 51
3.3.4 零泄漏的*低轉速和*高轉速 52
3.3.5 給定工作轉速下的*大允許開槽深度 53
3.3.6 對內外雙槽密封氣液分界半徑的影響因素分析 54
參考文獻 62
第4章 氣體潤滑螺旋槽機械密封 63
4.1 泵入式氣體潤滑螺旋槽機械密封 63
4.1.1 端面氣膜壓力的解析計算 63
4.1.2 端面氣膜流動的狀態分析 65
4.1.3 端面摩擦力矩的簡化計算 72
4.1.4 滑移流影響螺旋槽干氣密封性能的解析法 77
4.2 泵出式氣體潤滑螺旋槽機械密封 84
4.2.1 氣膜控制方程 84
4.2.2 密封性能參數計算 84
4.2.3 “泵出式”與“泵入式”螺旋槽干氣密封性能參數對比 85
4.3 單雙列螺旋槽干氣密封性能比較 86
4.3.1 螺旋槽端面的氣膜壓力控制方程 87
4.3.2 單雙列螺旋槽干氣密封性能對比 87
參考文獻 91
第5章 實際氣體效應對螺旋槽干氣密封性能的影響 93
5.1 實際氣體效應的表征 93
5.1.1 常用的壓縮因子理論表達方式 94
5.1.2 氣體壓縮因子計算表達式的篩選 96
5.2 考慮實際氣體效應的干氣密封端面壓力控制方程解析表征 98
5.3 氮氣實際氣體效應的影響 99
5.3.1 氮氣的第二維里系數計算 99
5.3.2 滑移流因子表征 99
5.3.3 氮氣干氣密封性能誤差的定義 100
5.3.4 干氣密封性能計算及比較分析 100
5.4 氫氣實際氣體效應的影響 103
5.4.1 氫氣的第二維里系數計算 103
5.4.2 氣體密封性能計算及比較分析 103
5.5 二氧化碳實際氣體效應的影響 105
5.5.1 二氧化碳氣體的第二維里系數計算 105
5.5.2 密封性能計算及比較分析 106
5.6 水蒸氣實際氣體效應的影響 108
5.6.1 端面開啟力 108
5.6.2 氣膜剛度 109
5.6.3 泄漏率 110
5.6.4 熱平衡膜厚 111
5.7 天然氣實際氣體效應的影響 113
5.7.1 混合氣的實際氣體狀態方程 114
5.7.2 天然氣動力黏度計算 115
5.7.3 天然氣干氣密封的氣膜壓力控制方程 115
5.7.4 算例及結果分析 115
參考文獻 121
第1章 緒論 1
1.1 螺旋槽機械密封 1
1.1.1 液體潤滑螺旋槽機械密封 1
1.1.2 氣體潤滑螺旋槽機械密封(干氣密封) 3
1.2 螺旋槽機械密封端面流體膜性能分析——近似解析法的研究進展 5
參考文獻 7
第2章 螺旋槽機械密封端面間流體膜穩態性能分析的近似解析方法 9
2.1 螺旋槽機械密封端面的幾何形狀 9
2.2 螺旋槽機械密封的基本工作原理 10
2.3 螺旋槽機械密封端面流體膜的壓力控制方程 12
2.3.1 光滑區(密封壩)流體膜的壓力控制方程 12
2.3.2 螺旋槽區流體膜的壓力控制方程(窄槽理論) 20
2.4 液體潤滑螺旋槽機械密封壓力分布的近似解析分析 22
2.4.1 泵出式液體潤滑螺旋槽機械密封 22
2.4.2 泵入式液體潤滑螺旋槽機械密封 23
2.5 氣體潤滑螺旋槽機械密封壓力分布的近似解析分析 24
2.5.1 泵出式氣體潤滑螺旋槽機械密封 24
2.5.2 泵入式氣體潤滑螺旋槽機械密封 25
2.6 機械密封端面間流體膜的穩態性能 26
2.6.1 流體膜的流動狀態 26
2.6.2 端面的開啟力 27
2.6.3 流體膜的剛度 27
2.6.4 流體膜的溫度分布 27
2.6.5 流體膜的剪切摩擦力矩 27
2.7 滑移流效應 28
2.8 實際氣體效應 29
參考文獻 31
第3章 液體潤滑螺旋槽機械密封 32
3.1 泵出式(上游泵送)液體潤滑螺旋槽機械密封 32
3.1.1 密封性能參數計算 32
3.1.2 密封性能影響因素分析 34
3.2 泵入式(下游泵送)液體潤滑螺旋槽機械密封 39
3.2.1 密封性能計算 40
3.2.2 密封性能影響因素分析 41
3.3 存在氣液界面的螺旋槽機械密封及其流體膜特性 46
3.3.1 “零壓差零泄漏”模型 46
3.3.2 端面間流體膜的壓力分布 48
3.3.3 氣液分界面半徑 51
3.3.4 零泄漏的*低轉速和*高轉速 52
3.3.5 給定工作轉速下的*大允許開槽深度 53
3.3.6 對內外雙槽密封氣液分界半徑的影響因素分析 54
參考文獻 62
第4章 氣體潤滑螺旋槽機械密封 63
4.1 泵入式氣體潤滑螺旋槽機械密封 63
4.1.1 端面氣膜壓力的解析計算 63
4.1.2 端面氣膜流動的狀態分析 65
4.1.3 端面摩擦力矩的簡化計算 72
4.1.4 滑移流影響螺旋槽干氣密封性能的解析法 77
4.2 泵出式氣體潤滑螺旋槽機械密封 84
4.2.1 氣膜控制方程 84
4.2.2 密封性能參數計算 84
4.2.3 “泵出式”與“泵入式”螺旋槽干氣密封性能參數對比 85
4.3 單雙列螺旋槽干氣密封性能比較 86
4.3.1 螺旋槽端面的氣膜壓力控制方程 87
4.3.2 單雙列螺旋槽干氣密封性能對比 87
參考文獻 91
第5章 實際氣體效應對螺旋槽干氣密封性能的影響 93
5.1 實際氣體效應的表征 93
5.1.1 常用的壓縮因子理論表達方式 94
5.1.2 氣體壓縮因子計算表達式的篩選 96
5.2 考慮實際氣體效應的干氣密封端面壓力控制方程解析表征 98
5.3 氮氣實際氣體效應的影響 99
5.3.1 氮氣的第二維里系數計算 99
5.3.2 滑移流因子表征 99
5.3.3 氮氣干氣密封性能誤差的定義 100
5.3.4 干氣密封性能計算及比較分析 100
5.4 氫氣實際氣體效應的影響 103
5.4.1 氫氣的第二維里系數計算 103
5.4.2 氣體密封性能計算及比較分析 103
5.5 二氧化碳實際氣體效應的影響 105
5.5.1 二氧化碳氣體的第二維里系數計算 105
5.5.2 密封性能計算及比較分析 106
5.6 水蒸氣實際氣體效應的影響 108
5.6.1 端面開啟力 108
5.6.2 氣膜剛度 109
5.6.3 泄漏率 110
5.6.4 熱平衡膜厚 111
5.7 天然氣實際氣體效應的影響 113
5.7.1 混合氣的實際氣體狀態方程 114
5.7.2 天然氣動力黏度計算 115
5.7.3 天然氣干氣密封的氣膜壓力控制方程 115
5.7.4 算例及結果分析 115
參考文獻 121
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螺旋槽機械密封穩態性能解析法分析 節選
第1章 緒論 1.1 螺旋槽機械密封 螺旋槽機械密封是指密封端面加工有螺旋槽的機械密封，包括液體潤滑螺旋槽機械密封、氣體潤滑螺旋槽機械密封和氣液兩相潤滑的螺旋槽機械密封。氣液兩相潤滑的螺旋槽機械密封目前尚不成熟。 1.1.1 液體潤滑螺旋槽機械密封 液體潤滑機械密封一般指全液膜潤滑非接觸機械密封，也稱為液膜機械密封。該類機械密封涉及液膜的空化問題，即氣液兩相問題，但一般不認為是氣液兩相機械密封。液膜機械密封包括液體動壓式、液體靜壓式和液體動靜壓混合式，其中以液體動壓式機械密封*為常見。具體有上游泵送機械密封、下游泵送機械密封等多種形式。流體在端面間的“泵送”可以通過多種方式實現，其中以螺旋槽的應用*為廣泛。 1. 上游泵送機械密封 上游泵送機械密封是普通機械密封的端面被一具有低流量、高揚程(壓力)的“端面泵”所代替，該“泵”把少量的低壓緩沖流體(buffer liquid)沿密封端面輸送到高壓密封腔，從而實現從低壓側(下游)向高壓側(上游)的泵送。該密封端面的“泵送”效應可通過在端面開各種流體動壓槽來實現，其中*常見的就是螺旋槽。 一種典型的螺旋槽上游泵送機械密封見圖1-1，其螺旋槽端面結構見圖1-2。該螺旋槽上游泵送機械密封由一內裝式機械密封和裝于外端的唇型密封組成。機械密封端面加工有螺旋槽，將低壓緩沖隔離液體從密封壓蓋空腔泵送入高壓腔泵。唇型密封作為緩沖隔離流體的屏障，將緩沖隔離流體限制在密封壓蓋腔內。 圖1-1 上游泵送機械密封 圖1-2 上游泵送機械密封的螺旋槽端面 2. 下游泵送機械密封 下游泵送機械密封是指從高壓側(上游)向低壓側(下游)泵送的機械密封。對于如圖1-2所示的上游泵送機械密封端面來說，如果內徑(ri)處隔離流體的壓力pi高于密封腔壓力po，那么在同一旋轉方向下，流體從高壓側(上游)被泵送到低壓側(下游)，實際上是下游泵送機械密封，而不是上游泵送機械密封。其端面螺旋槽的作用和密封環兩側壓差的作用均使流體從高壓側(上游)流向低壓側(下游)。 下游泵送機械密封一般可作為泵入式(流體向軸心方向流動)結構使用，如圖1-3所示。密封環的外徑處為被密封的高壓流體，內徑處為低壓流體或外界環境。螺旋槽開在密封端面的外側，與高壓流體相接觸。密封壩在內側。液體在外側高壓力及螺旋槽的共同作用下向內側流動，從而實現從高壓側(上游)向低壓側(下游)的泵送。如果沒有螺旋槽等流體動壓槽結構，那么就是普通的內流式機械密封結構。與普通機械密封和上游泵送機械密封相比，下游泵送機械密封具有較大的端面開啟力和液膜剛度，但泄漏率也較大。 圖1-3 下游泵送機械密封的端面結構 此外，尚有由正反向螺旋槽組合而成的上下游泵送混合式機械密封，即密封端面同時具備上游泵送螺旋槽和下游泵送螺旋槽結構，可以是總體上游泵送機械密封或總體下游泵送機械密封。總體上游泵送機械密封是指密封總體是上游泵送的，即起上游泵送作用的螺旋槽為主螺旋槽(較長)，總體作用使流體實現上游泵送功能，可歸類為上游泵送機械密封；起下游泵送作用的副螺旋槽較短，主要起改善壓力分布、提高液膜剛度的作用。相反，總體下游泵送機械密封是指密封總體是下游泵送的，即起下游泵送作用的螺旋槽為主螺旋槽(較長)，總體作用使流體實現下游泵送，可歸類為下游泵送機械密封；起上游泵送作用的副螺旋槽較短，主要起改善壓力分布、提高液膜剛度的作用。 1.1.2 氣體潤滑螺旋槽機械密封(干氣密封) 氣體潤滑機械密封一般指密封端面依靠氣體實現非接觸的機械密封，也稱為氣膜機械密封，包括流體動壓式氣體潤滑機械密封、流體靜壓式氣體潤滑機械密封和流體動靜壓混合式機械密封。這類氣體潤滑機械密封也通稱為“干氣密封”(dry gas seal)。“干氣”意指要求潤滑氣體 “干燥(dry)”，不會發生液體析出。同時，也有“干凈”的意思，即要求潤滑氣體不含固體顆粒。 螺旋槽干氣密封也可分為泵入式螺旋槽干氣密封和泵出式螺旋槽干氣密封。 1. 泵入式螺旋槽干氣密封 氣體潤滑機械密封即干氣密封，一般采用密封端面外徑側高壓(簡稱外高壓)的泵入式結構。外高壓單端面干氣密封的典型結構如圖1-4所示，包含靜環、動環組件(旋轉環)、輔助密封O形圈、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。靜環位于不銹鋼彈簧座內，用輔助密封O形圈密封。彈簧在密封無負荷狀態下使得靜環與動環相貼合。而動環固定在轉子上隨軸一起旋轉。 圖1-4 單端面干氣密封 在動環表面上加工有一系列的螺旋槽，如圖1-5所示。不過螺旋槽也可以加工在靜環上，但一般加工在旋轉環(動環)上，并使用硬質材料，如碳化硅陶瓷或碳化鎢硬質合金等。隨著轉子轉動，氣體由外泵送到螺旋槽的根部 (泵入式結構)。根部以外的一段無槽區稱為密封壩。密封壩對氣體的流動產生阻礙作用，提高了氣膜壓力。動、靜環間的氣膜壓力形成了端面開啟力，從而使動環表面與靜環表面處于非接觸狀態，其間隙一般為3～5μm。密封端面間充滿流動的氣體，形成全氣膜潤滑狀態。當由氣體壓力和彈簧力產生的密封閉合壓力與端面間氣膜壓力形成的開啟壓力相等時，便建立了穩定的平衡膜厚。正常情況下，該氣膜具有自我穩定的能力，即具有自動調整、維持膜厚不變的能力，此時氣膜厚具有正剛度。氣膜剛度為單位氣膜厚度變化引起的開啟力(矩)變化。 圖1-5 泵入式螺旋槽干氣密封的端面結構2. 泵出式螺旋槽干氣密封 泵出式螺旋槽干氣密封是指端面的螺旋槽開在端面的內側(靠近內徑)，密封壩在端面的外側(靠近外徑)，氣體從密封端面的內側(內徑處)向外側(外徑處)泵出的干氣密封，如圖1-6所示。其結構與液體潤滑的上游泵送機械密封類似。但是，泵出式干氣密封主要用在泵等設備上，以實現氣體對液體的密封。此時，被密封的液體仍在密封環外側，但密封環內側是帶壓氣體且氣體壓力比液體壓力高，這時少量的密封氣體會進入被密封的液體介質。泵出式干氣密封的密封端面是純氣體潤滑，屬于干氣密封。密封氣體從高壓氣體側向低壓液體側流動，屬于向下游泵送氣體，本質上屬于下游泵送機械密封。 圖1-6 泵出式干氣密封 1.2 螺旋槽機械密封端面流體膜性能分析——近似解析法的研究進展 解析法可以直接揭示模型的物理本質，是研究機械密封端面間流體膜特性的一種重要方法。螺旋槽機械密封的近似解析法*初起源于螺旋槽軸承理論。1951年，Whipple[1]把止推軸承設想為兩個平行面，其中一個平面上開有一系列等間距分布的直槽，槽與運動方向呈一定傾角，忽略槽底位置流體的復雜流動，通過質量守恒定律推導了間隙內流體的壓力微分方程。雖然該理論認為流體局部上不可壓縮，但是能夠在整體上求解可壓縮流體的壓力分布。隨后，Vohr和Pan[2]對Whipple(惠普爾)的窄槽理論開展了深入研究，推導了適用于非平行平面且直槽間不平行時間隙內流體的壓力微分控制方程，該方程考慮了可壓縮的情況，適用于可壓縮氣體潤滑軸承。1966年，Muijderman[3]在Whipple窄槽理論的基礎上建立了不可壓縮流體、可壓縮流體的螺旋槽止推軸承端面間的壓力分布控制方程，出版了《螺旋槽軸承(Spiral Groove Bearings)》一書，詳細闡述了螺旋槽止推軸承兩端面間流體壓力分布控制方程的推導過程及螺旋槽止推軸承端面摩擦力矩的計算公式，分析了不同因素對螺旋槽止推軸承潤滑性能的影響，并且討論了不同槽型端面間的壓力分布、摩擦力矩和泄漏率等。隨著螺旋槽機械密封的優良性能逐步被發掘，適用于螺旋槽止推軸承的近似解析研究方法——Muijderman無限窄槽理論逐漸應用于螺旋槽機械密封領域。 1972年，Smalley[4]基于窄槽理論給出了適用于徑向螺旋槽軸承、端面螺旋槽軸承和球面螺旋槽軸承的一般化方程，但該方程只能利用數值法進行求解，即采用經典窄槽理論和有限差分法相結合的方式求解密封間隙內的壓力控制方程，并從中得到泄漏率、剛度、摩擦功耗等性能參數。1973年，Sneck和Mcgovern[5]用近似解析法求解了針對含槽線較窄密封面上的雷諾潤滑方程，得到了密封的泄漏率、剛度、摩擦功耗等性能參數，但是由于該方法較復雜且不夠嚴謹，因此并沒有得到廣泛重視。1974年，Elord和Adams[6]運用漸近展開和匹配的方式，同時考慮槽區和臺區呈周期性分布的特點，推導了平均壓力下的廣義Whipple壓力微分方程，并且修正了Muijderman算法中的邊緣環境壓力。1979年，Gabriel[7]對螺旋槽干氣密封的基本工作原理及密封性能進行了詳細的論述，采用無限窄槽理論全面分析了操作條件對密封性能的影響規律，并且詳細闡述了當時常見的典型密封結構及密封環材料。這篇論文在干氣密封的發展歷程中具有重要意義，并在1994年又被重新全文發表[8]，其中所提供的干氣密封參數及計算結果一直被干氣密封研究工作者奉為經典，至今仍時常作為干氣密封算法的驗證對象。 隨著科學技術的進步，適用于機械密封端面壓力求解的研究方法蓬勃發展，但近似解析法因其獨有的魅力像沙金一般閃爍著光芒，一直沒有被時代發展的浪潮所淘汰。1999年，作者利用Muijderman無限窄槽理論推導了適用于求解螺旋槽上游泵送液膜密封的槽根壓力、端面流體膜的壓力分布、端面開啟力、泄漏率、摩擦功耗及上游泵送速率等的計算表達式[9]，這為螺旋槽上游泵送液膜密封的推廣應用提供了一定的理論指導作用。隨后，針對高壓氣體在密封環內側的泵出型螺旋槽干氣密封，作者基于近似解析法探討了泵出式密封氣膜壓力的計算方法，并根據密封壩、螺旋槽均等寬的原則[10]，將Gabriel(加布里埃爾)經典文獻中泵入式螺旋槽干氣密封結構轉化為對應的泵出式結構，并對比研究了兩種干氣密封的性能變化規律，*后指出同樣條件下泵出式螺旋槽干氣密封的開啟力低于泵入式。2009年，作者對Gabriel經典文獻中的端面氣膜力數據及計算公式進行了詳細研究，并指出了可能存在的問題[11]。 雖然單列螺旋槽結構的動壓效果良好，但在主軸反轉的情況下將喪失運行穩定性，故在保留螺旋槽結構優勢的基礎上，王玉明院士發明了一種新型雙列螺旋槽機械密封，其長槽位于密封端面外側，短槽布置于端面內側，槽的整體結構呈人字狀。2009年，針對新型雙列螺旋槽機械密封，王玉明等基于無限窄槽理論推
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