多级串联密封系统泄漏仿真与实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京特种工程设计研究所 作者:刘阳

  建立了多级串联密封系统的数学模型,通过理论分析和数值计算,揭示了多级串联密封结构正压泄漏的漏率、漏量与泄漏时间关系的一般规律。给出了三级密封系统泄漏的仿真计算实例。通过三级串联密封泄漏实验验证了多级串联密封泄漏理论的正确性。该泄漏规律可用于多级串联密封结构系统的设计、检漏和泄漏安全评估。

  密封技术在压力容器、真空设备、液压机械、输送管线等工业应用非常广泛。但国防试验设备、武器装备、航空航天、特种化工等领域对密封技术提出了更高的要求。因此,为提高密封系统的密封性和安全可靠性,许多密封系统或结构常常采用多级串联密封结构。由于密封级之间寄生空间的存在,多级串联密封结构的泄漏过程和机理与单级密封结构不同,其泄漏过程非常复杂,需要进行深入的理论、试验与应用方法的研究。

  近年来,国内外逐渐开始重视多级串联密封结构的泄漏过程的研究。美国NASA 的Lemon 等研究了在多道O 型圈密封情况下估算泄漏率的经验方法。Rodriguez 等研究了双密封结构泄漏过程建模求解的近似方法。Levy 等研究了多密封结构检漏的经验方法。沈公槐等讨论了测定两密封件串联的气路系统各密封件单密封漏率的问题。龙伟给出了描述双密封泄漏的微分方程。

  此前,笔者所在课题组研究了串联双密封结构的建模与仿真问题,总结了双密封结构的泄漏规律及其应用方法。本文进一步研究多级串联密封结构的建模与仿真,并完成了一系列验证性实验。

1、系统建模方法

  气路系统由气压源、气流源、气阻、气容等元件构成,均有明确的元件定义、表示、特性和单位量纲,遵守相应的元件特性约束和气路拓扑约束。例如,流阻定义为具有阻碍气体流通能力的气路元件,用R 表示, R = P/ Q ,单位s/m3 。刚性漏孔的流阻是与泄漏管道(路径) 的几何形状、尺寸、以及气体种类和流动状态等有关的量。流导等于流阻的倒数,用C 表示, C = 1/R , 单位m3/s ,表示管道或漏孔对气体的导通能力。

  在气路系统中,流阻串联后的总流阻等于各段流阻之和,流阻并联后的总流阻倒数等于各支路流阻倒数之和。

  气路拓扑约束是指气路系统遵循支路气压守恒和节点气流守恒。支路气压守恒是指气路中的任一支路气压守恒,即气压之和为零。节点气流守恒是指气路中任一节点处的气流守恒,即气流之和为零。

6、泄漏规律

  (1) 串联级数与总漏率关系:类似于多电阻串联的分压电路的规律,在串联密封结构中,由于每一道密封均承担一部分气压降,串联密封结构级联的级数越多,平衡后的总漏率越小。即多级串联结构的多个串联漏孔的总气阻为单个气阻之和,但总漏率上改善不太明显。但级数增多,会明显增加系统的平衡时间。例如,与单密封结构相比,同等条件下3级串联密封结构, (若R1 = R2 = R3 ) 平衡后漏率减为原来的三分之一。

  (2) 寄生气容对泄漏过程的影响:从整个泄漏过程来看,串联密封结构间的寄生容积的存在和大小对漏率没有影响,不影响平衡后串联结构的整体漏率。寄生容积的存在和大小对整个密封系统的泄漏平衡时间影响很大,大的寄生容积可明显增大平衡时间,减小平衡前的漏率和漏量。

  (3) 单级密封漏率对泄漏过程的影响:多级串联密封结构中单个密封件标准漏率Qnb大小对泄漏全过程影响很大,可在很大程度上影响整个泄漏过程的泄漏时间和漏率,而且对泄漏平衡时间影响也很大,小的漏率可明显增大平衡时间。

  (4) 不同漏率的密封件的先后顺序对泄漏过程的影响:若多级串联密封结构中的某两密封件漏率不等,其前后位置对平衡后的漏率大小无影响,但对平衡时间有影响。若漏率小的密封件在外,则平衡时间较长;反之,则平衡时间较短。

  (5)示漏气体浓度对泄漏过程的影响:若在多级串联密封结构中放入部分示漏气体,若不引起密封压力的改变,在不考虑气体分子量对漏率影响的情况下,示漏气体的浓度对泄漏过程没有影响,即不影响总漏率的变化,也不影响总压平衡和分压力平衡时间。同样,串联密封结构的真空和其它泄漏状态,可以使用相同的泄漏模型,只是初始条件下不同,但遵循相似的泄漏规律。

7、结束语

  本文通过理论分析、数值计算和实验,建立了多级串联密封结构的数学模型,揭示了多级串联密封结构的正压泄漏规律。串联密封结构的泄漏规律对于指导串联密封结构系统的设计、检漏和泄漏安全评估等具有重要意义。

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