基于熱耗散變形的干氣密封系統(tǒng)振動穩(wěn)定性研究.pdf

1、螺旋槽干氣密封被廣泛應用于石化行業(yè)中，其運行的穩(wěn)定性和可靠性是石化企業(yè)安全保障的關鍵。早期的螺旋槽干氣密封被應用于低速低壓的工況下，但是隨著其應用的進一步拓展，其工況范圍也由低速低壓到高速高壓。在介質壓力和運轉速度較高的工作狀態(tài)下螺旋槽干氣密封的密封端面間會產生較大的熱量，從而發(fā)生運行不穩(wěn)定及泄漏量增大。
　　本文在二階速度滑移邊界條件下求得相應的干氣密封動力學方程的基礎上，考慮熱耗散下有熱彈變形對氣膜厚度、剛度的影響，揭示了干氣

2、密封系統(tǒng)穩(wěn)定運行的動力學行為并通過試驗進行了比較分析。本文主要的研究內容和結論如下：
　　通過二階非線性滑移邊界條件下的雷諾方程并利用PH線性化方法和迭代法求得氣膜推力和氣膜壓力，繼而對其進行氣膜厚度的求導，得到二階非線性滑移邊界條件下的氣膜剛度的近似解析式。然后推導出氣膜考慮耗散下的能量微分方程，進而利用氣膜的壓力、能量方程和二階非線性滑移邊界條件下的氣膜剛度的近似解析式，通過Matlab軟件求得螺旋槽內氣膜剛度在不同壓力、轉速

3、、槽深、螺旋角的分布。結果表明：隨著壓力、轉速及槽深的增大，氣膜剛度隨之增大并在槽根部附近達到最大值且氣膜剛度的變化成非線性；在特定的工況下，螺旋角為75°左右時，氣膜剛度達到最大。這對優(yōu)化干氣密封結構參數(shù)，提升干氣密封性能十分重要。
　　干氣密封系統(tǒng)的振動改變了動、靜密封環(huán)間的微尺度的間隙，從而影響到了螺旋槽干氣密封的密封性能。基于非線性的振動理論，建立了氣膜—密封環(huán)系統(tǒng)的軸向振動及角向擺動模型，同時也考慮了熱耗散下有熱彈變形對

4、氣膜厚度、剛度的影響。在特定工況條件下，求解及擬合了非線性的氣膜的剛度、阻尼，并獲得了一個非線性受迫振動微分方程。求解了 Floquet指數(shù)在無外激勵的情況下，系統(tǒng)分岔的問題，并進而分析了螺旋角對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，得到了密封系統(tǒng)穩(wěn)定運轉時的螺旋角的數(shù)值范圍，并求得了螺旋角發(fā)生 Hopf分岔的數(shù)值。將計算得到的結果與無熱耗散有熱彈變形、無變形下的數(shù)據(jù)進行比較。研究結果表明，考慮熱耗散有熱彈變形下的系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角范圍比無熱耗散有熱彈變形

5、和無變形的螺旋角范圍更大。熱耗散熱彈變形下發(fā)生 Hopf分岔的分叉點位置相比無熱耗散有熱彈變形和無變形的分岔點更加突出。這與之前利用龍格—庫塔法研究的結果相一致，從而證明了利用該方法來計算的正確性。其結果說明，熱耗散有熱彈變形對干氣密封系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有一定的干擾，對工程實際具有一定應用價值。
　　通過螺旋槽干氣密封測試系統(tǒng)的相關試驗臺，測試得到了螺旋槽干氣密封系統(tǒng)振動穩(wěn)定性的相關參數(shù)。為了使測試結果準確無誤，特別采用了相關的抗干擾