螺旋槽干气密封微尺度气膜的非线性热流体力学

随着螺旋槽干气密封性能研究的不断深入，其应用范围从常温、常压扩大到高温、高压（如核电设备的轴端干气密封）。大压降引起的温度耗散和摩擦热产生的温升影响了气膜流动规律，另外，密封端面的热弹变形导致了气膜厚度（典型值为3～5μm）的变化，由此引发了关于干气密封气膜微尺度热流体力学问题的研究。本项目通过研究气膜微尺度热传递过程中有相迟滞的热波模型，并考虑速度滑移和温度跳跃相互耦合下的流动和换热，建立螺旋槽干气密封气膜非线性二阶滑移边界的物理模型和微尺度广义雷诺方程,探寻干气密封内部气体流动规律；进而以此理论构建泄漏量与刚度、耗散的协调优化目标函数，获得微尺度下的优化模型，并进一步得到螺旋槽干气密封结构的最优尺寸，为干气密封的优化设计提供理论基础。这对螺旋槽干气密封安全可靠、 稳定和长周期运行具有重要的工程应用价值。

本项目通过研究气膜微尺度热传递过程中有热耗散模型，并考虑速度滑移和温度跳跃相互耦合下的流动和换热，建立螺旋槽干气密封气膜非线性二阶滑移边界的物理模型和微尺度广义雷诺方程；进而构建泄漏量与刚度、耗散的协调优化目标函数，获得微尺度下的优化模型和螺旋槽干气密封结构的最优尺寸。项目成果主要体现在以下4个方面：(1)基于二阶滑移边界条件的螺旋槽干气密封流场计算，得到螺旋槽内稳态的非线性雷诺方程和气体动压分布的解析解。研究结果表明：二阶非线性滑移边界条件下的泄漏量和气膜刚度比一阶线性滑移边界条件下更加精确。随着气膜厚度增加，二阶非线性滑移边界条件下的气膜刚度减小，呈非线性关系；随着介质压力、转速增加，气膜刚度增加，呈线性关系。(2)干气密封热弹变形下的流场计算。根据热耗散能量方程，获得气膜温度分布和热弹变形量，并得到相应的气膜厚度和泄漏量。研究结果表明：气膜的温度先升高后逐渐降低，在槽根部附近达到最高。而气膜速度先降低后升高，槽根部周围速度较低。密封环变形量与气膜温度的变化一致，而气膜厚度的分布与密封环的热弹变形量相反。随着密封环热弹变形量的增加，泄漏量也随之增大。(3)气膜密封环系统振动响应及失稳分析。通过求Floquet指数讨论系统分岔问题，分析螺旋角对系统稳定性的影响，找到失稳点域及稳定运行的螺旋角范围。研究结果表明：热耗散下热弹变形的分岔问题的螺旋角范围(66°44′50″＜α＜75°45′43″)与无热耗散有变形和无变形的分岔问题的螺旋角范围有明显的变化。同时，热耗散有变形的分叉点位置相比无热耗散有变形和无变形的分岔点更加明显。(4)确定相应的传感器等设备，对实验台进行改造，对螺旋槽干气密封样机进行测试。研究结果表明：动环根径处的温度大于内径大于外径，最高温度发生在根径处(90.90℃，在n=10000r/min和p=4MPa)，动环根部大压降引起的热耗散所产生的温升为主要因素。启停阶段外径温度最高，固体壁面间摩擦产热为主要因素。气膜刚度和系统阻尼两者的变化均呈非线性：气膜刚度(4.8×108 – 1.81×109 N/m)随着压力的增大而升高；随着转速的增大而减小；系统阻尼(7.2×104 – 4.29×105 N.s/m)随着压力的增大而无明显变化；随着转速的增大而降低。本项目所带的研究成果对螺旋槽干气密封安全可靠、稳定和长周期运行具有重要的工程应用价值。