化工学报 ›› 2021, Vol. 72 ›› Issue (10): 5294-5309.DOI: 10.11949/0438-1157.20210788
收稿日期:
2021-06-10
修回日期:
2021-07-23
出版日期:
2021-10-05
发布日期:
2021-10-05
通讯作者:
江锦波
作者简介:
于辰(1997—),男,硕士研究生,基金资助:
Chen YU(),Jinbo JIANG(),Wenjing ZHAO,Jiyun LI,Xudong PENG,Yuming WANG
Received:
2021-06-10
Revised:
2021-07-23
Online:
2021-10-05
Published:
2021-10-05
Contact:
Jinbo JIANG
摘要:
为解决现有干气密封端面型槽型线方程表征能力不强和结构参数定义体系不统一的问题,提出了一种基于径向微段组合以表征任意形状型线的广义对数螺旋槽结构模型。给出了广义对数螺旋槽结构参数定义体系,对比了不同压力和速度条件下广义螺旋槽与经典螺旋槽干气密封的开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能,重点研究了广义螺旋角分布和型线周向偏转两个特征量对干气密封性能的影响,基于不同目标函数获得了广义螺旋槽的最优形状。结果表明:型槽上游侧壁型线形状对各项稳态性能参数均有显著影响,而下游侧壁型线形状仅对泄漏率和气膜刚度影响显著;经典对数螺旋槽是一种流体动静压效应很强的端面结构,单纯依靠型线优化难以使气膜承载力显著提高,不过在低压高速条件下优化广义螺旋角分布,在高压低速条件下合适设置型线周向偏转有望提高干气密封的气膜刚度和刚漏比。
中图分类号:
于辰,江锦波,赵文静,李纪云,彭旭东,王玉明. 基于微段组合的干气密封端面型槽结构模型及其参数影响[J]. 化工学报, 2021, 72(10): 5294-5309.
Chen YU,Jinbo JIANG,Wenjing ZHAO,Jiyun LI,Xudong PENG,Yuming WANG. Geometrical model of surface groove based on micro-segment combination for dry gas seal and its parameter influence[J]. CIESC Journal, 2021, 72(10): 5294-5309.
偏转角 情况 | 型槽结构 | 槽根周向夹角θg |
---|---|---|
θ1>0,θ2<0 | θh | |
θ1<0,θ2>0 | θh(1-|θ2|-|θ1|) | |
θ1<0,θ2<0 | θh(1-|θ1|) | |
θ1>0,θ2>0 | θh(1-|θ2|) |
表1 单向广义螺旋槽型线非连续偏转及开槽角度
Table 1 Discontinuous deflection and slotting angle of unidirectional generalized spiral groove
偏转角 情况 | 型槽结构 | 槽根周向夹角θg |
---|---|---|
θ1>0,θ2<0 | θh | |
θ1<0,θ2>0 | θh(1-|θ2|-|θ1|) | |
θ1<0,θ2<0 | θh(1-|θ1|) | |
θ1>0,θ2>0 | θh(1-|θ2|) |
几何参数 | 形状演变 | |
---|---|---|
广义螺旋角分布 | 进口螺旋角β1 | |
转折螺旋角β2 | ||
出口螺旋角β3 | ||
上游超椭圆系数n1 | ||
下游超椭圆系数n2 | ||
极角分布 | 迎风侧偏角系数α2 | |
背风侧偏角系数α1 |
表2 广义螺旋槽结构参数取值对型槽形状的影响
Table 2 The influence of generalized spiral groove structure parameters on the shape of groove
几何参数 | 形状演变 | |
---|---|---|
广义螺旋角分布 | 进口螺旋角β1 | |
转折螺旋角β2 | ||
出口螺旋角β3 | ||
上游超椭圆系数n1 | ||
下游超椭圆系数n2 | ||
极角分布 | 迎风侧偏角系数α2 | |
背风侧偏角系数α1 |
型槽类型 | 型槽图例 | 广义螺旋角分布 | 周向极角分布 | 具体参数 |
---|---|---|---|---|
流道等宽槽 | β1=β2=β3=15°; α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
流道渐扩槽 | β1=10°, β2=25°, β3=40°; α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
流道渐缩槽 | β1=40°, β2=25°, β3=10°;α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
先扩后缩槽 | β1=10°, β2=40°, β3=10°;α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
先缩后扩槽 | β1=40°, β2=10°, β3=40°;α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
人字槽[ | β1=15°, β2=90°, β3=165°;α1=α2=0;n1=0.1, n2=0.1 | |||
多翼槽 | β1=β2=β3=15°; α1=0, α2=0.5;n1=1, n2=1 |
表3 不同特征参数取值对应的广义螺旋槽形状
Table 3 Corresponding characteristic parameters of generalized spiral groove shape
型槽类型 | 型槽图例 | 广义螺旋角分布 | 周向极角分布 | 具体参数 |
---|---|---|---|---|
流道等宽槽 | β1=β2=β3=15°; α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
流道渐扩槽 | β1=10°, β2=25°, β3=40°; α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
流道渐缩槽 | β1=40°, β2=25°, β3=10°;α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
先扩后缩槽 | β1=10°, β2=40°, β3=10°;α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
先缩后扩槽 | β1=40°, β2=10°, β3=40°;α1=α2=0;n1=1, n2=1 | |||
人字槽[ | β1=15°, β2=90°, β3=165°;α1=α2=0;n1=0.1, n2=0.1 | |||
多翼槽 | β1=β2=β3=15°; α1=0, α2=0.5;n1=1, n2=1 |
名称与单位 | 数值 | 名称与单位 | 数值 |
---|---|---|---|
密封端面外径,ro /mm | 37.5 | 背风侧偏转角系数,α1 | 0 |
密封端面内径,ri/mm | 29.5 | 迎风侧偏转角系数,α2 | 0 |
螺旋槽数,Ng | 12 | 气膜厚度,h0/μm | 3.0 |
周向槽宽比,δ | 0.5 | 气体黏度, μ/(mPa·s) | 0.0186 |
径向槽长比, γ1 | 0.6 | 环境压力, pa /MPa | 0.10 |
上游槽长比,γ2 | 0.5 | 内径侧压力,pi /MPa | 0.10 |
槽深, hg/μm | 5.0 | 外径侧压力,po/MPa | 0.50 |
上游超椭圆系数,n1 | 1.0 | 密封端面平均线速度,v/(m·s-1) | 100 |
下游超椭圆系数,n2 | 1.0 |
表4 干气密封运行工况及结构参数缺省值
Table 4 Operating conditions and structural parameter default values of dry gas seal
名称与单位 | 数值 | 名称与单位 | 数值 |
---|---|---|---|
密封端面外径,ro /mm | 37.5 | 背风侧偏转角系数,α1 | 0 |
密封端面内径,ri/mm | 29.5 | 迎风侧偏转角系数,α2 | 0 |
螺旋槽数,Ng | 12 | 气膜厚度,h0/μm | 3.0 |
周向槽宽比,δ | 0.5 | 气体黏度, μ/(mPa·s) | 0.0186 |
径向槽长比, γ1 | 0.6 | 环境压力, pa /MPa | 0.10 |
上游槽长比,γ2 | 0.5 | 内径侧压力,pi /MPa | 0.10 |
槽深, hg/μm | 5.0 | 外径侧压力,po/MPa | 0.50 |
上游超椭圆系数,n1 | 1.0 | 密封端面平均线速度,v/(m·s-1) | 100 |
下游超椭圆系数,n2 | 1.0 |
图7 进口螺旋角和出口螺旋角对干气密封稳态性能的影响(β2=30°)
Fig.7 The influence of inlet spiral angle and outlet sprial angle on the steady-state performance of dry gas seals (β2=30°)
图8 上游槽和下游槽超椭圆系数对干气密封稳态性能的影响(β1=15°、 β2=30°、 β3=45°)(β1=15°, β2=30°, β3=45°)
Fig.8 The influence of the hyperelliptic coefficient of upstream and downstream grooves on the steady-state performance of gas seals
密封性能 | 上游槽 | 下游槽 | ||
---|---|---|---|---|
β1 | n1 | β3 | n2 | |
开启力 Fo | 5.48% | 2.95% | 1.45% | 0.24% |
泄漏率 q | 6.42% | 3.21% | 6.77% | 2.33% |
气膜刚度 kz | 35.33% | 10.70% | 11.52% | 4.00% |
表5 不同上游槽和下游槽型线特征参数对应的性能参数均值变化率
Table 5 The sealing performance change rate corresponding to the characteristic parameters of the upstream and downstream grooves
密封性能 | 上游槽 | 下游槽 | ||
---|---|---|---|---|
β1 | n1 | β3 | n2 | |
开启力 Fo | 5.48% | 2.95% | 1.45% | 0.24% |
泄漏率 q | 6.42% | 3.21% | 6.77% | 2.33% |
气膜刚度 kz | 35.33% | 10.70% | 11.52% | 4.00% |
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