干气密封槽底微纹理导流效应及其流场流线匹配准则研究

In terms of the laser molding process and groove bottom roughness control of dry gas seal, the efficiency is low, the accuracy is poor, and the orientation effect of micro-texture on the bottom of the groove is not obvious. This project combine numerical simulation, theoretical analysis and experimental study. In order to realize the orderly and reasonable distribution of the micro-texture on the bottom of the groove, and establish the micro-texture modeling method of the groove bottom with ordinal increase of fluid flow as well as a remarkable supercharging effect, the research focus on the guide characteristics of micro-scale flow field under directional texture at the bottom of dry gas seal groove and its matching relationship with the flow field. It can realize high precision groove bottom treatment and modeling approach. The research of this project will further improve the operation stability of dry gas seal and the fine degree of laser modeling. The results will play an important role in the practical engineering application of dry gas seal.

针对干气密封激光造型工艺及其槽底粗糙度控制方面存在效率不高、精度较差、槽底微纹理导流效应不明显等方面的不足。本项目结合数值模拟、理论分析和试验研究三个层面，重点研究干气密封槽底具定向纹理下的微尺度流场导流特性及其与流场流线的匹配关系准则特征，实现槽底微纹理的有序、合理造型分布，建立流体流动有序性提高、增压效果显著的槽底微纹理造型方法，从而可在较高加工效率下实现精度较高的干气密封槽底处理与建模。本课题的研究将进一步提高干气密封运行稳定性与激光造型精细程度，研究成果在干气密封的实际工程应用方面将发挥较大作用。

本项目主要针对干气密封激光造型工艺及其槽底粗糙度控制方面存在效率不高、精度较差、槽底微纹理导流效应不明显等方面的不足。结合数值模拟、理论分析和试验研究，主要研究了(1)干气密封槽底微尺度流体流动特性；(2)槽底微纹理三维重构模型及与流场流线匹配规律；(3)考虑微纹理导流效应的数值模拟对比分析及流场流线匹配准则机制；(4)槽底微纹理造型的开槽设计方法及试验验证四个方面内容。研究发现：槽底微纹理的存在对提升介观流场的有序流动具有良好效果，可以显著提升螺旋槽、T型槽、枞树型槽及圆弧槽等多种密封槽型干气密封的开启力和稳定性，在高速、高压及小膜厚时的提升效果更加显著；加设导流微纹理后，干气密封承载效果明显提高、拐点发生工况延后且压力波动区域被压缩，在超高速下具有良好的抑扰能力；基于微纹理匹配准则及超快激光加工技术可以得到形貌整齐、有序性好、规整度高的有序造型槽型结构，实现了槽深幅值波动区间为2μm、最大粗糙度为0.59μm水平的槽型精密加工，微尺度织构间距的最大误差仅为2.5%，该技术较传统工艺方法的加工时间缩短约30%；提出的基于三维速度分量建立的椭球判定模型，结合速度分量选择模式，更适合科学判定旋转流场流态。. 通过项目的实施，规范了槽底微纹理的有序、合理造型分布，建立了流体流动有序性提高、增压效果显著的槽底微纹理造型方法，使干气密封在原理设计、开槽设计以及加工设计等方面形成一个综合性的创新思路。同时衍生出槽底微造型技术和调控技术，在较高加工效率下可以保证干气密封槽底的加工精度，实现了适用于实际工业应用的低成本、高效率的有序造型激光定向加工技术。提出的基于同一检测手段下的平均多处随机检测均方差的质量检测评价方法，可对干气密封开槽质量及深度进行科学认定，研究结果可为进一步提高干气密封的加工制造水平、降低成本提供理论和技术支持，促使干气密封的实际工程应用方面将发挥较大作用。