熱流固耦合下的螺旋槽干氣密封特性及失穩(wěn)分析.pdf

1、干氣密封系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵在于保證干氣密封系統(tǒng)內(nèi)氣膜動態(tài)穩(wěn)定性。端面密封內(nèi)潤滑氣膜的穩(wěn)定性與其溫度、動力學(xué)特性密切相關(guān)，從干氣密封系統(tǒng)熱流體非線性動力學(xué)分析;系統(tǒng)軸向運動失穩(wěn)分析;系統(tǒng)角向擺動失穩(wěn)分析;實驗驗證，這四個方面來進行研究，對應(yīng)不同的角度分析了系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件，通過試驗驗證了所建立模型和數(shù)值計算的正確性。
　　首先，從熱流體力學(xué)理論出發(fā)，對于氣密封系統(tǒng)內(nèi)密封氣膜的熱力過程進行了研究，分析了系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的密封環(huán)的

2、熱彈變形，從而對密封性能的影響。基于滑移邊界條件下的雷諾方程，不考慮密封環(huán)的變形，求解獲得氣膜壓力函數(shù)式;根據(jù)氣膜微尺度流體流動過程中熵變方程，得到螺旋槽內(nèi)氣膜溫度場分布;考慮微槽道內(nèi)氣流在不同階段的熵變過程，分析了氣膜溫度場在不同多變指數(shù)下的分布規(guī)律;進而在不同多變指數(shù)下計算出密封環(huán)的熱彈變形量及氣膜厚度近似表達式;求出無變形時理論泄漏量和考慮不同多變指數(shù)下熱彈變形的泄漏量，并與實驗值進行比對，驗證了泄漏量在采用不同多變指數(shù)時更接近試

3、驗數(shù)據(jù)。
　　其次，基于非線性振動理論，研究了系統(tǒng)軸向非線性穩(wěn)定性問題。建立軸向振動下系統(tǒng)流固耦合動力學(xué)模型，求解振動方程，分析失穩(wěn)點振動非線性動力學(xué)行為。利用數(shù)值算法找到失穩(wěn)點域，并在特定的螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了混沌運動，通過選擇合理的螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進行控制混沌。得到控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)域。在特例下計算并擬合非線性氣膜軸向剛度，得到了一個含二次、三次項的非線性受迫振動微分方程。在無外激勵情況下，通過求Floquet指

4、數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題，分析了螺旋角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定運行的螺旋角范圍。
　　再次，研究了系統(tǒng)角向非線性穩(wěn)定性問題。建立了角向振動下系統(tǒng)的動力學(xué)模型，求解角向擺動的二維振動方程，獲得了密封系統(tǒng)失穩(wěn)時的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了臨界轉(zhuǎn)動慣量與螺旋角之間的定量關(guān)系及失穩(wěn)點振動的非線性動力學(xué)行為，同樣得到控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)域。同時建立了氣膜-密封環(huán)系統(tǒng)角向擺動動力學(xué)模型，將氣膜厚度表示為含有擺角的變量，在特例

5、下計算并擬合非線性氣膜角向剛度，得到了一個含二次、三次項的非線性受迫振動微分方程。在無外激勵情況下，通過求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題，分析了螺旋角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定運行的螺旋角范圍。
　　最后，在密封試驗臺上對干氣密封樣機進行了試驗研究，完成了氣體端面密封試驗臺的測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計、測試系統(tǒng)的硬件配置。測試了泄漏量、氣膜軸向剛度和振動位移，給出了氣體端面密封試驗的測試結(jié)果，并與理論計算近似值