串联密封结构的泄漏规律研究

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

  以串联双密封结构为研究对象,建立了串联密封结构系统的数学模型,通过理论分析和数值计算,揭示了串联密封结构系统正压泄漏的漏率、漏量与泄漏时间关系的规律及其影响因素。串联密封结构的泄漏规律可用于串联密封结构系统的设计、检漏和泄漏安全评估。

  为提高密封系统的密封性和安全可靠性,许多密封系统常常采用多道密封结构串联形式。串联密封结构的气体介质泄漏过程与单密封结构不同。以双密封结构泄漏过程为例,泄漏介质首先经第一道密封进入两道密封之间的寄生容积,然后再经第二道密封进入外界环境(工作状态) 或氦质谱仪(检漏状态) 。由于两道密封结构之间存在一定体积(气容) ,使得二者的泄漏特性不同。本文主要研究串联密封结构的泄漏过程,建立串联密封结构的数学模型,总结串联密封结构的泄漏规律。

1、气路模型及元件特性

  与电路系统类似,气路系统由气路元件构成,包括气压源、气流源、气阻、气容等。二者有类似的模型,遵循相似的规律,如表1 所示。

表1  气路模型

气路模型

  (1) 气量:一定温度下,气体的压强P 与体积V的乘积表示气体量,用G 表示。

  (2) 气流:单位时间内流过管道截面的气量, 用Q 表示, Q = d G/ dt 。

  (3) 气容:指密封空间的容积, 表示对气体的容纳能力,用V 表示, V = G/ P ,单位为m3 。根据理想气体的状态方程,气容的G/ P 特性是线性关系。

  (4) 流阻与流导:管道两端的压强差与通过的气流的比值为流阻, 用R 表示, R = P/ Q , 单位s/ m3

  刚性漏孔的R 是与管道的几何形状和尺寸以及气体种类和流动状态有关的量,其压强/ 气流特性关系为线性或非线性。与电学中的电阻与电导的关系一样,流导等于流阻的倒数用C 表示, C = 1/ R = Q/P ,单位为m3/ s ,流导的物理意义表示管道对气体的导通能力。各种管道在不同的气体流动状态下的流导(或流阻) 均有相应的计算公式[1]

  真空领域中把气体在漏孔中流动界定为四种情况:分子流状态、粘滞流状态、湍流状态、声速流状态。并认为在分子流状态下漏率Q 与压差ΔP 成正比,与分子量的平方根成反比;粘滞流状态下漏率与压力的平方差成正比。这种气流状态的划分又取决于漏孔的直径、长度和气体分子的平均自由程,而分子的平均自由程又是气体温度、气体粘度、气体压强的函数。文献[2]指出,漏率小于1 ×10 - 7 Pa·m3/s 时属于分子流状态。

  密封系统密封件的漏孔可视为气阻元件( 管道) 。漏孔的流量称为漏率。密封空间实际上是有零输入的气容,当气容的容积非常大或(和) 其漏孔的流阻非常大时,该密封空间也可简化为理想的气压源。外界大气环境等效于压强为P0 (1.01 ×105Pa) 的理想气压源。

  利用气路模型及相关约束理论, 可以方便地建模和求解密封系统气体泄漏问题。

6、结束语

  本文通过理论分析和数值计算,建立了串联双密封结构系统的数学模型,揭示了双密封结构正压泄漏规律。真空(负压) 泄漏过程与此类似。在具体的工程应用中,还要适当考虑泄漏气体平均分子量和泄漏气流状态对泄漏规律的影响。

  本文抛砖引玉,串联多密封结构的泄漏规律亦可按照本文的方法进行建模和求解后得到。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具有重要意义。

参考文献

1  A. 罗丝. 真空技术翻译组译. 真空技术. 机械工业出版社,1980
2  查良镇. 铂丝玻璃型漏孔气流的研究. 全国测试基地年会报告集———真空测量,北京,1963
3  沈公槐,彭衷鸿. 串联密封系统泄漏率的测定. 控制工程,1998 , (2) :1 - 5

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