干式气体端面密封的研究现状(2)

　　在国内, 王建荣等采用FEA计算了圆弧槽气体密封的性能, 吴宗祥等对螺旋槽、圆弧槽、直线槽气体密封进行了端面几何参数优化; 基于八节点FEA, 蔡文新等计算了S-DGS的压力分布、气膜刚度、摩擦损失和泄漏量等参数, 彭建等对S-DGS的压力进行了分析, 胡丹梅等计算了直线槽气体密封的压力分布和密封性能。宋鹏云等采用FDA计算了径向直线槽气体密封端面间的压力分布, 并从近似解析法、数值分析法、实验研究及应用3个角度, 对涉及包括气体密封在内的端面开槽机械密封的80余篇文献进行了综述。陈建平等采用九点差分法对径向圆柱型S-DGS进行了理论计算。刘雨川等运用FEA 对几种典型端面结构的气体密封的工作性能进行了定量分析比较, 并运用FEA研究了DGS的角向摆动自振稳定性。陈志采用FDA对干气密封进行了计算。林培峰等采用伽辽金FEA对S-DGS进行了有限元分析, 并开发了干气密封有限元计算软件。李涛子等使用伽辽金法对T型槽干气密封稳态特性进行了有限元分析。冯向忠采用伽辽金法分析了螺旋槽干式气体端面密封几何参数单个变化和两两变化时的气体密封特性。

　　蒋小文等采用有限元法对螺旋槽干气密封端面间气体流动过程进行数值模拟研究, 得到端面间气膜的压力分布规律并计算了主要的密封性能参数, 探讨了操作参数和端面槽形和几何参数对密封性能的影响。尹晓妮等编写有限元程序, 比较了不同的形函数对密封性能影响的计算精度和效率, 从而得到三角形单元计算精度和效率最高的结论。冯向忠等采用有限元法计算了压力分布以及各个密封性能参数, 与相关文献进行比较, 提出了结构参数选择的一般原则。彭旭东等采用有限元法研究了变形对密封性能的影响。

　　上述对螺旋槽气体密封的分析都是假设气体为续流且忽略稀薄效应和表面粗糙度, 采用简化的雷诺方程获得S-DGS的端面膜压分布。

2.3、DGS端面型槽结构优化

　　由于DGS是通过端面上不同形状和尺寸的型槽来产生流体动压效应并实现端面非接触的, 因此型槽的几何形状和尺寸对DGS的性能具有重要影响, 在不同操作条件下研究型槽几何结构参数的优化具有重要意义。

　　最早对S-DGS几何结构参数进行系统研究的当属Gabriel, 他对包括螺旋角、台宽槽宽比、槽深、密封面宽度和平衡比等端面几何参数对密封性能的影响规律进行了系统的理论分析和实验研究。Shellef等分析了径向槽气体密封几何参数对密封性能的影响。Salant等对端面开槽机械密封的润滑膜流场进行了数值分析, 认为型槽形式对流场有显著的影响。Zirkelback对S-DGS的端面几何参数进行了优化。

　　除几何参数外, S-DGS的运行性能也受其操作条件等参数的影响。Gabriel研究了压力、转速和气体黏度对密封性能的影响。Faria研究了压力比对泄漏量和开启力的影响。

　　在国内, 王建荣等以获得最大刚漏比为目标对圆弧槽气体密封的端面结构进行了优化; 吴宗祥等对低速气体端面密封的性能进行了研究, 并以最大刚漏比为基准, 对螺旋槽、圆弧槽和直线槽等型槽几何参数进行了优化; 彭建等以最大刚漏比为目标对S-DGS螺旋槽的几何结构参数进行了优化。赵惠清等研究了开槽密封的槽结构和密封工作条件对密封性能的影响。冯向忠等采用有限元法计算了S-DGS的端面气膜压力分布以及各个密封性能参数, 分别研究了参数单个变化以及两两变化时对密封性能的影响, 基于较大刚漏比下较小泄漏量的原则对微槽几何结构参数进行了优化。在实践中对典型S-DGS的端面进行改进以得到更优密封性能的专利也越来越多。国外的JohnCrane、Flowserve和Eagle-Burgman等著名密封公司和国内王玉明院士等人的专利已经越来越多地成功应用于实际生产中。Sedy 的“带角向槽和环形槽的端面密封”应用于离心气体压缩机, 使操作条件范围更宽, 从开启到高速高压状态都能较稳定地运行; 其中浅圆环槽使压力分布均衡, 减少端面变形, 从而保证最少端面接触和磨损。Durametallic公司的“气体双阻塞密封”应用于化学化工行业, 可以双向旋转, 其中深圆环槽推动气体通过开槽区, 使密封端面冷却, 并降低端面间接触压力, 有效阻止泄漏。国内王玉明院士的各向双螺旋端面密封结构也在现场旋转机械上得到成功应用。

　　滑移效应一般在轴承和微细圆管的研究中考虑较多, 涉及DGS的相关研究开展得较少。随着对DGS性能研究的不断深入, 其应用范围也从高速扩大到中低速, 尽管DGS已在低速或低压搅拌设备的轴封上得到应用, 但远不如高速设备上普遍, 主要还是缺少相应的理论指导。另外, 高速DGS在启动、停车过程中, 往往会因端面间难以建立稳定气体薄膜, 气体稀薄而产生干摩擦, 产生严重磨损, 由此引发了关于中低速和低压条件下DGS端面间滑移流问题的研究。研究表明, 当DGS应用于中低速泵或启动或釜设备时, 其端面气膜厚度一般小于1～3μm, 而空气在常温、标准大气压下的分子平均自由程λ≈ 0.064μm, 分子平均自由程在量级上已与气膜厚度相差不大。此时, 必须考虑滑移流对DGS密封性能的影响。

　　综上所述, 为了提高DGS的稳定性、可靠性和密封性等工作性能, 端面微槽几何参数的优化及其优化准则非常重要, 因此人们对端面几何参数的研究也越来越多, 也越来越重视对密封端面结构的改造与完善。但是到目前为止还没有公开文献系统阐述上述各种DGS的统一设计理论与方法, 不仅形成了DGS设计理论的盲区, 而且不利于DGS新品的引进吸收再创新及国产化。

2.4、DGS性能实验研究及工程应用

　　实验研究是机械密封研究与发展一个必不可少的环节, 对理论研究结果的验证、密封结构的优化和产品的小试具有重要意义。

　　1978年, Gabriel对S-DGS进行了实验研究。通过对比试验, 表明S-DGS的功耗比普通接触式机械密封小得多。Kowalski等在对S-DGS反转能力的理论分析基础上, 用实验验证了螺旋槽结构优化结果。Nosowicz等实验研究了泵用螺旋槽和V 型槽双端面气体密封。结果表明, 两种型槽比较, 螺旋槽具有更好的动力效果, 并提出气体密封应用于泵具有比非接触式液体密封更多的优点。

　　在1970—1975年期间, 约翰克兰公司加工出了平底面螺旋槽DGS, 首次用于离心压缩机; 并在1974年首次将S-DGS成功地应用于炼油厂透平膨胀机上。后又经过近20年的不断研究和完善, 不仅提高了流体动压效果, 而且发展了轴线自对准( Self-aligning) 机制和自对中( Self-centering) 机制, 并获得商业应用, 形成了代表着国际先进水平的DGS技术。