DOI: 10.16078/j.tribology.2017.02.001密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响

陈 源1, 彭旭东1,2*, 江锦波1, 孟祥铠1,2, 李纪云1,2(1. 浙江工业大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310032;2. 浙江工业大学 过程装备及其再制造教育部工程研究中心, 浙江 杭州 310032)

摘 要: 基于气体润滑理论, 并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程, 在高速高压条件下获得了气膜动态特性系数; 基于动力学相关知识, 在考虑转轴轴向振动的情况下, 利用气膜轴向动态刚度和阻尼系数分别求解了静环挠性安装、动环挠性安装和两环均挠性安装的干气密封挠性环运动方程. 在不同轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼下分别研究了三种典型结构干气密封动态追随性并进行了对比分析.结果表明：当轴向激励频率较高或挠性环质量较大时, 静环挠性安装干气密封在刚受到外界激励时膜厚突变相对严重, 动态追随性较差; 在轴向激励频率较低且挠性环质量较小时, 静环挠性安装干气密封相比动环挠性安装干气密封表现出更好的动态追随性; 在三种密封环挠性安装形式中, 两环均挠性安装干气密封动态追随性最好, 且具有绝对优势.关键词: 高速高压; 干气密封; 密封环挠性安装形式; 动态特性中图分类号: TB42文献标志码: A文章编号: 1004-0595(2017)02–0139–09

The Influence of Flexibly Mounted Ways of Seal Rings onDynamic Tracking of Dry Gas Seal

CHEN Yuan1, PENG Xudong1,2*, JIANG Jinbo1, MENG Xiangkai1,2, LI Jiyun1,2(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou 310032, China2. The MOE Engineering Research Center of Process Equipment and Its Remanufacture, Zhejiang University ofTechnology, Zhejiang Hangzhou 310032, China)Abstract: The perturbation film pressure governing equations of spiral groove dry gas seal are presented by perturbationmethod based on gas lubrication theories, and the dynamic force coefficients of gas film are got in the condition of high-speed and high-pressure. The motion equations of flexibly mounted rings of the flexibly mounted stator, the flexiblymounted rotor, the flexibly mounted stator and rotor dry gas seals are solved by using the dynamic stiffness and dampingof gas film when the axial vibration is taken into consideration. The dynamic tracking property of the three typicalconfigurations is analyzed under the different excitation amplitude, excitation frequency, flexibly mounted ring’s mass,spring stiffness and auxiliary seal damping. The results show that the higher excitation frequency or the larger flexibly

第 37 卷 第 2 期摩 擦 学 学 报Vol 37 No 22017 年 3 月TribologyMar, 2017

Received 10 October 2016, revised 26 November 2016, accepted 8 December 2016, available online 28 March 2017.*Corresponding author. E-mail: xdpeng@126.com, Tel: +86-13805766526.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51575490)，the National Key Basic ResearchProgram of China (973) (2014CB046404)，the Natural Science Key Foundation of Zhejiang Province, China (LZ15E050002) and theNatural Science Youth Foundation of Zhejiang Province, China (LQ17E050008).国家基金面上项目(51575490)、国家重点基础研究发展规划项目(973)(2014CB046404)、浙江省自然科学基金重点项目(LZ15E050002)和浙江省自然科学基金青年基金(LQ17E050008)资助.mounted ring’s mass can lead to dramatic change of film thickness disturbance of the flexibly mounted stator dry gasseal which means that the dynamic tracking property is bad. When the excitation frequency is lower or the flexiblymounted ring’s mass is smaller, the dynamic tracking property of the flexibly mounted stator dry gas seal is better thanthe dry gas seal of which rotor is flexibly mounted. In the three typical configurations, the flexibly mounted stator androtor dry gas seal have the best dynamic tracking property under various conditions.Key words: high-speed and high-pressure; dry gas seal; flexibly mounted ways of seal rings; dynamic property

随着现代工业的快速发展，高参数干气密封(Drygas seal，缩写为DGS)的使用日益增多[1]. 为保证DGS能更好地适应发展需求，近年来，国内外学者在稳态条件下对高参数DGS开展了多方面的研究，包括型槽结构及其参数优化[2–5]、端面变形研究[6]、密封特性分析[7]，丰富了高参数DGS的设计理论. 但是，在高速条件下，转轴轴向振动加剧，受其影响，DGS的动力学性能将直接决定机组的运行可靠性和密封性，因此，研究高参数DGS动力学问题具有重要理论价值和实际意义. 目前，高参数DGS一般采用弹簧作为补偿环(即挠性环)的推力元件，无论挠性环是用作静环还是用作动环，将对高参数DGS动力学性能产生重要影响[8]，而有关研究鲜见报道.目前，较为典型的机械密封挠性环结构形式包括静环挠性安装(FMS)、动环挠性安装(FMR)和动静环均挠性安装(FMSR). 其中FMS是工程中应用最广泛的密封结构，在机械密封动力学研究领域中，关于FMS机械密封动态特性的研究也最为普遍. 早在20世纪80年代，Etsion等[9–12]就对非接触式FMS机械密封进行了动力学分析，推导并求解了挠性静环运动方程，研究了密封的稳定性以及静环的瞬态响应规律. 其后的几年中，Green等[13–14]又通过数值法求解了挠性安装环运动方程并系统分析了密封转速、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼等参数对FMS机械密封最小密封环间隙及静环章动的影响规律. 之后，Ruan[15]、Miller等[16]、Yelma等[17]、Zhang等[18]和Chen等[19]又陆续对FMS机械密封的动态追随性开展了系统研究.对另外两种挠性密封环结构机械密封的动力学规律开展研究，主要是Green等人. Green[21–23]建立了非接触式FMR机械密封挠性动环的运动方程，并通过一系列数学推导最终获得了FMR机械密封的失稳判据，同时还通过理论证实了在高速工况并考虑密封环不对中等情况下FMR机械密封比FMS机械密封动态稳定性更好. 随着航空航天技术和高速透平技术的发展，FMSR结构机械密封开始得到应用[24]. 20世纪90年代，Wileman和Green[24–26]首先开展了FMSR机械密封的动力学研究，建立并求解了挠性环运动方程，获得

了密封环的动态响应规律. 随后，Wileman[26]在以前的工作基础上又进一步研究了偏心FMSR机械密封的动态响应规律.虽然国际上关于三种典型挠性环结构机械密封的动力学研究已有不少，但是关于三种机械密封特别是涉及高参数DGS的动力学性能对比研究却鲜见报道. 因此，本文作者在考虑转轴轴向振动情况下，重点研究高速高压工况下轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼对三种典型挠性环结构螺旋槽干气密封(S-DGS)动态追随性的影响并进行对比分析，以期为高参数DGS的动态优化设计提供理论依据.

1 计算模型1.1 物理模型图1分别为FMS、FMR和FMSR三种挠性环结构S-DGS的截面图. 图2为S-DGS的螺旋槽几何模型. 当动环高速旋转时，在螺旋槽的作用下密封端面间产生的气体动压将使密封端面打开并形成一层微米级厚度的气膜，在稳态条件下膜厚被视为稳定不变，但在实际运行中，由于动环的轴向振动，膜厚往往会发生变化，而膜厚变化过大将会造成密封因泄漏过大或端面碰磨而失效. 图3所示分别为FMS、FMR和FMSR三种结构S-DGS的运动学分析模型，在密封的动态追随性分析中，气膜被视为具有一定刚度和阻尼特性的弹簧-阻尼系统.1.2 数学模型假设S-DGS端面间为理想气体，且为层流流动，忽略离心力和惯性力的作用，不考虑端面变形的影响，则在柱坐标下的瞬态雷诺方程为1r2∂∂θ(ph312µ∂p∂θ)+1r∂∂r(rph312µ∂p∂r)=Ω2∂(ph)∂θ+∂(ph)