低速运转气体润滑机械密封端面非线性气膜力研究

针对端面加工T形槽气体润滑机械密封，考虑微尺度滑移流效应，建立考虑T形槽滑移流效应和表面粗糙度效应的修正雷诺气体润滑方程；采用PH线性化近似解析法和有限体积数值法分别求解稳态雷诺方程和瞬态雷诺方程，获得稳态气膜压力分布和动态气膜压力分布；将气膜压力在密封环面上进行积分获得非线性稳态气膜力和动态气膜力。研究气体种类、温度、压力和转速等操作参数和密封环结构及其几何参数对稳态气膜力和动态气膜力的影响规律。进一步通过气膜刚度系数和阻尼系数对动态气膜力进行建模表达。试验上采用电容位移传感器测量气体膜厚；采用微型压力传感器、敏感压力胶片和微型压力传感器阵列测量气膜压力分布；采用速度传感器和加速度传感器测量浮动环的运动规律。将理论研究结果和试验测试结果进行比较分析，期望获得T形槽气体润滑机械密封端面气膜力的控制方程、求解方法和解的表达，为进一步完整把握气体润滑机械密封的动力学行为提供理论基础。

气体润滑机械密封,简称干气密封，是一种利用端面间气体薄膜润滑的非接触机械密封。它是在密封环的一个端面上加工有一定形状深度为微米级的浅槽，密封环相对运转时产生流体动压效应，在密封端面间形成一层很薄的气膜（厚度约为1～5μm）,从而使密封工作在非接触状态下。端面槽形有多种形式，以螺旋槽的研究最为深入。但是螺旋槽密封仅能适应单向旋转。近年，能够适应双向旋转对称槽型（如T形槽）气膜机械密封的研究和应用开始引起重视。气体润滑机械密封在离心式压缩机等高速运转设备上获得了广泛应用，近年来已逐步扩大到反应釜等低速运转设备上。气体润滑机械密封在低速运转时，会涉及许多基础性问题，如：气体的可压缩效应，密封端面动压槽的微尺度效应，气体流动的稀薄滑移效应，端面微突体接触可能，端面气膜的稳态特性和动态特性等。本项目主要以端面开T形槽气体润滑机械密封为例，研究了低速运转气体润滑机械密封端面非线性气膜力，包括气膜力的控制方程、求解方法、气膜力的稳态特性和动态特性等。针对端面加工T形槽气体润滑机械密封，考虑微尺度滑移流效应，应用了考虑滑移流效应的修正雷诺气体润滑方程；采用有限差分法分别求解了稳态雷诺方程和瞬态雷诺方程，获得稳态气膜压力分布和动态气膜压力分布；将气膜压力在密封环面上进行积分获得非线性稳态气膜力和动态气膜力。对反映动态气膜力特性的气膜刚度系数和阻尼系数进行了详细研究。研究了T槽几何参数和操作参数对稳态气膜力、动态气膜力的影响。建立了干气密封双振子振动模型，研究了动环、静环和气膜在外界激励作用下的位移变化规律。研究了实际气体效应对T槽、螺旋槽、直线槽稳态气膜力的影响，研究的实际气体包括二氧化碳气体、氢气和氮气。实验上研究了利用导电硅橡胶压阻特性测量端面气膜压力的可能性。采用高精度位移传感器测量膜厚，利用微型压力传感器测量密封端面不同径向位置的气膜压力。获得了恒压密封启停全过程的位移曲线。