双向旋转枞树型槽干式气体端面密封的性能研究

论文摘要

干气密封具有节能、环保、寿命长、可靠性高等优点,已被广泛应用于石油天然气、石油化工、冶金和航空航天等重要的工业与行业领域。然而在实际运行中,原动机转向和工艺操作流程错序等综合因素往往容易造成离心机泵等设备的反向旋转,因此导致常规单向型槽端面干气密封无法产生流体动压开启力而引起端面的磨损失效,造成转轴抱死、装置停产等恶劣事故。为了降低离心机泵反向运行的风险,满足双向旋转的使用要求,约翰克兰公司推出了双向旋转枞树型槽端面结构的干气密封（F-DGS）并在现场得到成功应用。尽管如此,但是目前F-DGS的密封机理与性能及其变化规律尚不清楚,缺少系统的设计理论与方法,无法满足国内生产与用户的有关需求。本文首先基于气体润滑理论,建立了F-DGS和螺旋槽干气密封的通用数学分析模型,采用有限元法求解,结合有关文献中实验数据验证了计算模型的正确性以及计算方法的合理性与可靠性。其次,在端面产生的流体动压效应、密封性和稳定性等方面,分析对比了F-DGS与典型螺旋槽干气密封两者性能间的优劣,结果表明：尽管F-DGS端面产生的动压效应与密封稳定性相对处于劣势,但是其密封性较好,端面间气膜压力分布稳定均匀,且适合双向旋转应用场合。接着研究了F-DGS在不同操作工况和不同端面型槽几何结构参数条件下,其密封性能（包括开启力、气膜刚度、泄漏率、刚漏比等参数）的变化规律,给出了不同型槽几何结构参数F-DGS的最佳适用工况,以及在不同工况条件下各端面几何参数的优选范围。最后,在此基础上,研究了F-DGS端面枞树型槽的径向列数、周向非对称结构和径向异形结构等对密封性能的影响规律,提出在相同操作工况条件下,当F-DGS端面型槽为两列槽且各列槽的槽台比、径向比均相等时其性能最佳；为了提高F-DGS的开启能力与稳定性,可适当减小反向槽的槽台比。本论文研究成果将为工程解决双向旋转枞树型槽的设计选型、提高密封稳定性与可靠性提供理论依据,进一步满足大型机械设备对于轴端密封高可靠性、高稳定性以及可双向旋转等的要求,因此具有重要的理论意义和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、目的及意义
• 1.2 干气密封国内外研究的现状及存在的问题
• 1.2.1 干气密封的理论研究
• 1.2.2 不同型槽干气密封的研究
• 1.2.3 枞树型槽端面干气密封研究现状
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 研究内容
• 第2章 双向旋转枞树型槽干气密封的建模与数值求解
• 2.1 计算模型
• 2.1.1 几何模型
• 2.1.2 数学模型
• 2.1.3 变分方程的建立
• 2.1.4 变分方程的离散
• 2.1.5 边界条件
• 2.1.6 密封性能参数
• 2.2 程序验证
• 2.2.1 计算程序框图
• 2.2.2 程序验证
• 2.3 本章小结
• 第3章 双向旋转枞树型槽干气密封的动压效应研究
• 3.1 F-DGS与S-DGS动压效应的对比研究
• 3.1.1 压力分布的比较
• 3.1.2 密封特性的比较
• 3.2 转速与密封压力对F-DGS动压效应的影响
• 3.2.1 转速对动压效应的影响
• 3.2.2 密封压力对动压效应的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 双向旋转枞树型槽干气密封的密封性能分析
• 4.1 转速与密封压力对F-DGS密封性能的影响
• 4.1.1 转速的影响
• 4.1.2 密封压力的影响
• 4.2 型槽几何参数对F-DGS密封性能的影响
• 4.2.1 槽台比β的影响
• 4.2.2 槽坝比φ的影响
• 4.2.3 螺旋角α的影响
• 4.2.4 枞树型槽与供气槽周向宽度比θ的影响
• 1的影响'>4.2.5 枞树型槽槽深h₁的影响
• 2的影响'>4.2.6 供气槽槽深h₂的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 双向旋转枞树型槽干气密封不同型槽的对比研究
• 5.1 枞树型槽列数的影响
• 5.1.1 压力分布的比较
• 5.1.2 转速对密封性能的影响比较
• 5.2 周向非对称枞树型槽密封性能的比较
• 5.2.1 左右侧槽台比不对称
• 5.2.2 左右侧螺旋角不对称
• 5.3 径向非对称枞树型槽密封性能的比较
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要完成的工作
• 6.2 结论
• 6.3 创新点
• 6.4 展望
• 参考文献
• 符号说明
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果