干式氣體端面密封的研究現(xiàn)狀

　　對非接觸式干式氣體端面密封(DGS)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié), 著重介紹了密封性能的理論分析與數(shù)值計算方法, 端面微槽的優(yōu)化設(shè)計方法,試驗研究方法以及考慮端面微尺度效應(yīng)和滑移流效應(yīng)基礎(chǔ)研究等方面的研究現(xiàn)狀。指出在高參數(shù)條件下DGS端面的熱流固耦合與解耦分析, 低速或低壓條件下密封的啟動與停車性能的準(zhǔn)確預(yù)測及結(jié)構(gòu)優(yōu)化是DGS技術(shù)未來研究的重點,也是進(jìn)一步拓廣DGS應(yīng)用領(lǐng)域、提高其工作可靠性的關(guān)鍵。

　　干式氣體動力潤滑機械密封(DGS)是在止推軸承技術(shù)的基礎(chǔ)上, 通過在密封面上開槽并以氣體作為潤滑劑的機械密封。開槽使密封面旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了流體動力效應(yīng), 實現(xiàn)了密封面的非接觸, 同時端面間剪切流對抗壓差流達(dá)到零泄漏。DGS的研究與應(yīng)用已有30余年, 目前已在石油、石化、化工和電力等部門得到越來越多的應(yīng)用。隨著DGS應(yīng)用于高參數(shù)場合或低速、低壓場合, 新的問題不斷出現(xiàn), 因此對DGS提出了更高要求, 了解有關(guān)DGS的基礎(chǔ)知識、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢, 提出解決或部分解決上述類似問題的方法, 完善DGS的設(shè)計理論與設(shè)計方法和實驗研究方法, 具有重要的理論價值和實際意義。

1、DGS的結(jié)構(gòu)和密封機制

　　除密封端面開有各種不同型槽外, DGS和普通機械密封一樣由靜環(huán)和動環(huán)組成。DGS的型槽形式多樣, 常見的有圓弧槽、螺旋槽、直線槽、T型槽、樅樹型槽等, 槽深一般為3～30μm。

圖1　S-DGS的端面結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖1所示為典型的螺旋槽DGS(S-DGS) 端面。當(dāng)密封工作時, 氣體被吸入槽中, 其流動受密封壩節(jié)制, 于是氣體被壓縮引起壓力升高, 該壓力企圖使密封面分離, 并形成一定厚度的氣膜。當(dāng)氣體壓力和彈簧力與開啟力平衡時, 形成穩(wěn)定的氣膜并防止密封面相互接觸。氣膜厚度一般為幾個微米。

　　圖2所示為S-DGS的作用力圖。作用于浮動密封環(huán)上的閉合力為F_c , 其值等于系統(tǒng)壓力和彈簧力之和, 設(shè)開啟力為F_o, 其值等于氣膜承載能力的大小。當(dāng)F_c = F_o 時, 密封處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài), 為理想的設(shè)計工況; 當(dāng)DGS受到外來干擾氣膜厚度減小時, F_c保持不變, 而型槽產(chǎn)生的端面動力會明顯增大使F_c< F_o ,導(dǎo)致膜厚增大, 恢復(fù)到原值; 相反, 當(dāng)外來干擾使膜厚增大時, 端面動力下降使F_c > F_o,密封面合攏恢復(fù)到原膜厚值。這樣, 動、靜環(huán)間始終保持一層穩(wěn)定的氣膜, 在正常運轉(zhuǎn)條件下, 兩密封面始終保持非接觸, 密封面無磨損, 從而提高密封壽命, 使密封可以長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

圖2　DGS的作用力圖

2、DGS的研究現(xiàn)狀

　　DGS的理論基礎(chǔ)來源于氣體潤滑理論和氣體止推軸承理論。對DGS的研究主要采用理論解析計算、數(shù)值模擬和實驗研究等3種手段, 目前數(shù)值模擬計算是最常用的手段。以Navier-Stokes方程為端面間氣膜壓力控制方程, 通過計算氣膜壓力、開啟力、氣膜剛度和泄漏量等密封參數(shù), 對DGS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并完善設(shè)計理論。

2.1、DGS性能的解析法研究

　　DGS的解析研究基礎(chǔ)是Whipple提出的窄槽理論(Narrow groove theory, NGT) , 該理論后來得到了Malanoski等和Muijderman的完善, 其中Muijder-man首次采用復(fù)變函數(shù)保角變換理論將螺旋槽模型轉(zhuǎn)化成平行直線槽模型, 并重點考慮槽端部的影響, 出了較完整的螺旋槽軸承理論。Cheng等運用NGT分析了S-DGS和瑞利臺階DGS中, 密封槽和密封壩的相對位置對密封性能的影響, 指出在低速情況下,密封壩在低壓側(cè)有利于減少泄漏, 在高壓側(cè)有利于提高氣膜剛度。Gardner最早將螺旋槽近似解析理論應(yīng)用于螺旋槽端面機械密封的性能。Sneck等提出了一種基于窄密封面沿槽線建立雷諾方程的解析方法, 但由于該方法的不嚴(yán)謹(jǐn)和不方便, 未能獲得廣泛應(yīng)用。Shapiro等在Muijderman方法的基礎(chǔ)上, 考慮慣性力的影響, 研究了高速液氧泵用螺旋槽機械密封的工作性能。

2.2、DGS密封性能的數(shù)值模擬法研究

　　由于氣膜壓力控制方程很難直接求解, 所以解析法需作大量假設(shè)簡化, 這給精確描述DGS的性能會帶來一定的誤差。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和普及, 目前有限差分法(FDA)和有限元法(FEA)等數(shù)值分析方法已經(jīng)在DGS的密封性能分析研究中得到廣泛應(yīng)用。

　　James等應(yīng)用FDA研究了氣體潤滑螺旋槽平面推力軸承的性能, 并采用坐標(biāo)變換法解決了螺旋槽曲線邊界應(yīng)用FDA所遇到的困難。Zuk等用FDA求解了模擬螺旋槽機械密封的直線平行槽模型的流場和壓力場。Murata等利用勢流理論, 建立了螺旋軸承的二維模型, 用數(shù)值分析方法計算了速度場和壓力場。Smalley基于NGT理論, 用FDA求解雷諾方程, 計算了平面、球面和圓錐面等型槽氣體軸承的承載能力、功率損耗、泄漏量和剛度系數(shù)。Lip schitz等用FDA計算了直線槽雙向旋轉(zhuǎn)氣體推力軸承的性能。Kowalski等采用FDA分析了S-DGS的反轉(zhuǎn)能力, 并通過坐標(biāo)變換, 解決了螺旋槽的幾何結(jié)構(gòu)與柱坐標(biāo)軸不一致造成的困難。

　　Reddi等應(yīng)用基于伽遼金加權(quán)余量法的遞增變分公式研究了氣體動力軸承在低速情況下的穩(wěn)態(tài)性能, 首次針對可壓縮流體潤滑問題采用FEA進(jìn)行了研究。Ettles等用九節(jié)點二次等參元FEA求解雷諾方程, 獲得了高的計算精度和較快的計算速度, 為DGS的數(shù)值分析計算提供了較好的算法。Satomi等采用FEA分析了低速氣體徑向止推軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題。

　　Basu分別采用FDA和FEA研究了徑向槽DGS的壓力分布。Bonneau等采用基于伽遼金加權(quán)余量法的直接有限元公式對S-DGS進(jìn)行了二維穩(wěn)態(tài)分析,通過引入迎風(fēng)格式, 消除了高速條件下計算結(jié)果的顫動問題。Tournerie 等將Bonneau等人的模型用于評價型槽的幾何參數(shù)對低速、不對中S-DGS的開啟力、泄漏量和回復(fù)力矩的影響。Hernandez等采用直接伽遼金有限元公式, 并結(jié)合對開槽面的特殊離散化程序, 確定了低速S-DGS的開啟力、泄漏量和靜力系數(shù)。Zirkelback等運用遞增的伽遼金有限元公式, 計算了中、低速S-DGS的頻率相關(guān)載荷系數(shù)。Ruan采用FEA分析了在低速、低壓條件下, 滑移流對S-DGS密封性能的影響。Faria分析了高速S-DGS的性能, 計算程序以伽遼金加權(quán)余量法為基礎(chǔ), 同時引入了高階形函數(shù)而無需引入特殊積分模型和人工分解, 所以具有精度高和速度快的特點。