CN107228197A - 一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法及其装置，本发明建立相对合理和完善的槽底界面粗糙度模型，阐释合理的粗糙度造型设计对密封性能改善及降低开槽技术标准的机制和机理，最终实现基于干气密封槽底粗糙度微观效应的有序造型设计方法，提高干气密封的性能、简化开槽技术方法。

Description

一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法及其装置

技术领域

本发明属于机械工程领域、流体密封技术领域，特别涉及一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法及其装置。

背景技术

近年来，随着工业的高速发展以及人们对环境要求的提高，促使石油、石化等相关过程工业向无污染、长周期、低能耗、高效益的方向发展，而此类工业的密封流体大多具有易燃、易爆、剧毒、污染严重等特点，传统的机械密封难以满足设备的密封要求。而干气密封技术的突出特点在于通过很薄的压力气膜实现密封界面的非接触和小间隙运行，由此所表现出的优越的防泄漏特性和长寿命、低维护特性，已使其成为先进密封技术领域的一个重要研究方向。

在国外，无论低压、低速、高压、高速等各种工况干气密封都占有重要地位。在国内，干气密封引入较晚，与国外也存在很大的差距，但目前越来越多的科研人员正投身于这类密封设备的研发上。干气密封与普通机械密封在结构方面的主要区别在于其动环或静环端面上加工有深度一般为3～10μm的各种槽型，通过流体动压力使密封端面分离。因而，干气密封的核心技术在体现在其微米级槽深的动压产生机理及槽型的设计与加工方面。

在启动或停车期间，干气密封的端面气膜厚度与表面粗糙度为同一数量级，正常运行时也仅高出1个数量级，因此表面粗糙度尤其是尺寸相对较大的槽底粗糙度对密封性能的影响不容忽视。但由于槽底加工技术高、精度较难保证，使得不合适的槽底粗糙度甚至平面度严重影响槽型实际使用效果。

因此，为发挥干气密封的最大优势，在强调零泄漏、低磨损、低能耗性能外，很有必要针对其槽底的微观效应和合理开槽方法进行研究。

为解决干气密封端面粗糙度问题，国内外学者在动、静环端面接触模型方面开展了大量的研究，试图从理论上揭示表面粗糙度对密封性能的影响机制及解决办法。1978年，Patir等提出“平均流动模型”的概念，用来研究等温条件下不可压缩液体在三维粗糙表面间隙中的部分流体润滑问题，通过引入流量因子来描述表面粗糙度对间隙流量的影响，建立了PC模型，为人们研究表面粗糙度的润滑效应提供了重要手段；之后Elrod、Tripp、Tonder、Hu、Makino 等都对这个模型进行了进一步研究和完善；2004年，Wang等采用平均流动模型和快速傅里叶变换求解了液体油膜与粗糙峰接触的压力分布。针对可压缩气体，大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室任晓和吴承伟等基于液体平均流动模型的基本思想，推导出了可压缩气体静密封的平均流动方程并进行了相应泄漏量计算，通过对气体在接触间隙流动的数值模拟，分析了表面粗糙度纹理方向、方均根等粗糙表面表征参数在名义气体膜厚变化时对气体泄漏量和密封压力的影响，并给出了粗糙表面形貌参数和密封压力与气体密封性能之间的关系。可压缩气体静密封平均流动方程的建立，为研究可压缩气体动密封提供了良好的借鉴和基础。

关于表面粗糙度对干气密封性能的影响，国内相关课题组针对干气密封做了很多开创性的工作：彭旭东课题组基于求解可压缩流平均雷诺方程，研究了不同速度条件下干气密封端面不同区域的各向同性表面粗糙度对密封气膜刚度和泄漏量的影响，提出端面不同区域(槽区和非槽区)的表面粗糙度对密封性能影响规律各不相同，并指出转速在期间的影响不可忽视；并通过进一步的研究，系统分析了软环端表面、硬环端面开槽底面与非开槽表面粗糙度对螺旋槽干气密封性能影响，结果表明：一定条件下，粗糙表面密封开启力、气膜刚度和摩擦扭矩均大于光滑表面，且泄漏量较小，在有关标准范围之内，硬环非开槽表面粗糙度对密封性能参数预测值的影响较硬环开槽底面和软环端面粗糙度可以忽略，同时还证明了表面粗糙度对于螺旋槽干气密封端面几何结构参数的优选值没有影响；近期，其课题组人员还针对符合高斯分布的粗糙表面上的滑移流效应一阶滑移模型进行了修正，研究阐述了滑移现象的产生与气体分子平均自由程、粗糙度的关系。宋鹏云课题组近年针对干气密封实际气体效应、滑移流效应及内部流场规律研究较深入，针对低速工况下端面粗糙度对干气密封性能的影响问题指出：在特定膜厚条件下，当膜厚与粗糙度均方根的比值大于3～4时，表面粗糙度对密封性能的影响可以忽略不计；在较大粗糙度下，虽然密封开启力、气膜刚度随转速增加而显著提高，但同时泄漏量也明显加大，因此随着转速增加，较大粗糙度对干气密封低速运转性能是有害的。

对于粗糙度数值构型的研究，在20世纪70年代以后，Sayles、Thomas、Majumdar等发现加工表面形貌具有分形特性，随后将分形理论用在表面形貌表征的研究中，对工程金属表面形貌进行分形模拟。这些研究表明，将基于分形理论的粗糙表面形貌研究描述中采用了较多分形尺度参数，这些参数的非直观性大大降低了模型的实用性。张起生等利用指数自相关函数和数字滤波技术建立了二维粗糙度表面统计分布规律数值模型，对比发现抛光花岗岩表面粗糙度符合Gauss分布规律。任晓等也通过计算机模拟具有任意形状自相关函数的随机粗糙表面，并用Matlab对生成的二维泄漏通道进行流动的数值计算，最后得出表面粗糙度特征对气体压力流量因子的影响。孙见君和魏龙等则分别介绍和研究机械密封粗糙表面的接触模型，并建立了与时间相关、基于分形参数的平行端面接触式机械密封泄漏模型。吕祥奎等基于Gauss分布函数和指数自相关函数关系建立了三维粗糙表面的数学模型，获得了密封面的数值粗糙表面并进行了数值计算，该工作实现了静接触密封结构泄漏特性定量评估的数值分析方法，对干气密封结构的高精度设计同样具有指导意义。相比基于粗糙表面分形研究的方法，基于分布函数的粗糙表面构型方法具有参数简单、可测性强等优点，在工程实践中更为实用。

有关干气密封槽底的设计研究，宋文博等将等深螺旋槽改进成各种收敛型不等深螺旋槽并进行数值计算，结果表明收敛型阶梯不等深螺旋槽干气密封的密封性能最优越,控制泄漏量方面更为突出。张岳林等提出一种变深T型槽干气密封端面结构，通过与普通等深结构对比，证明在低速低压或高速高压条件下变深结构有更好的气膜承载能力和稳定性。刘坤等通过对雁形槽干气密封进行变深研究也证明了一定的槽底变深结构可提高端面间气膜承载能力和稳定性，可提高干气密封的开启性能。以上研究表明，干气密封槽底造型的针对性研究对密封性能的提高具有直接意义。Slawomir和Andriy通过对干气密封微槽道、微孔隙及表面纹理的改变，并通过数值分析了此类变化对密封介质层的动态属性的变化，指出合理的设计和表面形貌的选择有助于干气密封稳定性的提高。但通过该领域国内外文献及专利情况检索，目前尚未涉及干气密封槽底界面有序设计下的微观效应研究及其对密封开槽技术的指导建议，使得干气密封微间隙密封的理论研究与实际应用之间仍存很大差距，这是干气密封工业应用中亟需解决的问题。

发明内容

为了实现干气密封槽底有序造型微观效应的目的，同时针对目前干气密封粗糙度模型中存在的不足做出改进，提出一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：包括AR型二维数字滤波技术，所述步骤如下：

步骤一：基于高斯分布和线性自相关函数的粗糙表面方法，采用AR型二维数字滤波技术；

步骤二：建立模拟槽底界面粗糙度微观随机特点模型；

步骤三：基于步骤二中模型生成具有相应随机特征的自相关函数粗糙表面3D模型并建立函数关系，所述粗糙表面自相关函数如下：

R(τ_x,τ_y)＝σ²exp{-2.3[(τ_x/β_x)²+(τ_y/β_y)²]^1/2}

其中σ为表面均方根粗糙度，τx、τy分别为x、y方向上的时间间隔，βx、βy分别为x、y方向上的相关长度，当βx＝βy时表面为各向同性，当βx≠βy时表面为各向异性；

步骤四：定义λr＝βx/βy为粗糙度纹理方向参数，λr＝1时为各向同性表面，通过调节βx 和βy的长度比即可改变λr值，从而可以模拟具有一定纹理特征的各向异性表面。

步骤五：基于步骤四，改变λr值，当λr>1时，生成的表面具有横向纹理特征，而且λr值越大，横向纹理越明显。反之，λr<1时，可以生成具有纵向纹理特征的表面，λr趋近于零的时候，出现明显的纵向条纹。

步骤六：根据干气密封槽底流场分布规律，建立各类槽型；

步骤七：基于槽型，定义λg为槽型流场方向参数，规定λg趋近于零时表征与造型流线相切时的方向，规定λg＝1时为造型流线与流场流线夹角为α＝45度方向，规定λg＝λ_r-max时为造型流线与流场流线垂直方向；通过调节造型流线与流场流线夹角α即可改变λg值，从而可以与λr对应表征具有一定纹理特征的各向异性表面；

步骤八：基于可压缩气体平均流动方程，结合数值化粗糙3D模型，采用Matlab编程，计算出粗糙表面间隙气体流动的流量因子及其与纹理方向的关系；计算密封动压及泄漏率特性参数，得出表面粗糙形貌特征与特性参数之间的关系。

进一步的，所述槽型包括螺旋槽型、T型槽型和圆弧槽型。

进一步的，所述步骤八中的采用采用有限体积法求解。

进一步的，所述流量因子包括压力流量因子φ_x、φ_y及剪切流量因子φ_s。

进一步的，所述计算机模拟表面的特点是每次产生的随机数据不同，计算结果具有随机性，所以单个表面需要经过多次计算取平均值。

一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽装置，包括壳体和轴，其特征在于：所述轴外圈设有轴套，所述轴套外设有静环座，所述静环座与壳体连接，所述静环座与轴套之间设有静环和防转销，所述静环左侧设有动环，所述防转销右侧设有弹簧；所述静环座与壳体之间设有壳体用O型密封圈；所述动环与轴套之间设有动环O型圈。

进一步的，所述静环座与静环直接设有静环用O型圈。

进一步的，所述轴套上设有紧定螺钉。

进一步的，所述轴套与壳体之间为密封腔体。

本发明具有以下有益效果：

本发明建立相对合理和完善的槽底界面粗糙度模型，阐释合理的粗糙度造型设计对密封性能改善及降低开槽技术标准的机制和机理，最终实现基于干气密封槽底粗糙度微观效应的有序造型设计方法，提高干气密封的性能、简化开槽技术方法。

可以解决干气密封槽型加工时必须考虑粗糙度及平面度精度的问题，降低加工要求和加工成本，简化加工方法和步骤，优化槽型结构，利于干气密封的进一步工业应用。

本发明依据干气密封具体槽型的流场特点，以提高密封槽型动压为目标，设计相关槽底微结构。对于提高槽型密封性能、减少泄漏、降低开槽技术要求、降低槽型加工成本效果显著。

附图说明

图1为本发明槽底粗糙面模拟模型。

图2为本发明指数型自相关函数粗糙面三维轮廓图(βx＝βy)。

图3为本发明整个密封面微造型流场示意图。

图4为本发明树形槽型密封面的局部结构示意图。

图5为本发明螺旋槽型密封面的局部结构示意图。

图6为本发明T型槽型密封面的局部结构示意图。

图7为本发明圆弧槽型密封面的局部结构示意图。

图8为槽型流场方向参数设定方法。

图9为微造型导流方向λm和微造型保压方向λn示意图。

图10为装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1-8所示，一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：包括AR 型二维数字滤波技术，所述步骤如下：

步骤一：基于高斯分布和线性自相关函数的粗糙表面方法，采用AR型二维数字滤波技术；

步骤二：建立模拟槽底界面粗糙度微观随机特点模型(如图1所示)；

步骤三：基于步骤二中模型生成具有相应随机特征的自相关函数粗糙表面3D模型(如图2所示)并建立函数关系，所述粗糙表面自相关函数如下：

R(τ_x，τ_y)＝σ²exp{-2.3[(τ_x/β_x)²+(τ_y/β_y)²]^1/2}

其中σ为表面均方根粗糙度，τx、τy分别为x、y方向上的时间间隔，βx、βy分别为x、y方向上的相关长度，当βx＝βy时表面为各向同性，当βx≠βy时表面为各向异性；

步骤四：定义λr＝βx/βy为粗糙度纹理方向参数，λr＝1时为各向同性表面，通过调节βx 和βy的长度比即可改变λr值，从而可以模拟具有一定纹理特征的各向异性表面。

步骤五：基于步骤四，改变λr值，当λr>1时，生成的表面具有横向纹理特征，而且λr值越大，横向纹理越明显。反之，λr<1时，可以生成具有纵向纹理特征的表面，λr趋近于零的时候，出现明显的纵向条纹。

步骤六：根据干气密封槽底流场分布规律，建立各类槽型；

步骤七：基于槽型，定义λg为槽型流场方向参数，规定λg趋近于零时表征与造型流线相切时的方向，规定λg＝1时为造型流线与流场流线夹角为α＝45度方向，规定λ_g＝λ_r-max时为造型流线与流场流线垂直方向；通过调节造型流线与流场流线夹角α即可改变λg值，从而可以与λr对应表征具有一定纹理特征的各向异性表面(如图6所示)；

步骤八：基于可压缩气体平均流动方程，结合数值化粗糙3D模型，采用Matlab编程，计算出粗糙表面间隙气体流动的流量因子及其与纹理方向的关系；计算密封动压及泄漏率特性参数，得出表面粗糙形貌特征与特性参数之间的关系。

微造型具体几何参数设计可参照得出流场方向参数λg：微造型导流方向λm与λg＝0时一致，微造型保压方向λn与λg＝λr-max时一致(如图9所示)，即：λm即为微造型加工时引导流体更顺利进入流槽的方向，λn即为在流体顺利进入流槽后使流体在流槽中更好形成动压时的微造型加工时方向。这两个参数的得出即可确定如何设计微造型，也就是开槽方法确定了。

如图10所述，一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽装置，包括壳体1和轴8，其特征在于：所述轴8外圈设有轴套6，所述轴套6外设有静环座3，所述静环座3与壳体1连接，所述静环座3与轴套6之间设有静环9和防转销4，所述静环9左侧设有动环12，所述防转销4右侧设有弹簧5；所述静环座3与壳体1之间设有壳体用O型密封圈；所述动环12 与轴套6之间设有动环O型圈。

所述静环座3与静环9直接设有静环用O型圈10。

所述轴套6上设有紧定螺钉。

所述轴套与壳体1之间为密封腔体13。

如图3-8所示，所述槽型包括螺旋槽型、T型槽型和圆弧槽型。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：包括AR型二维数字滤波技术，所述步骤如下：

步骤一：基于高斯分布和线性自相关函数的粗糙表面方法，采用AR型二维数字滤波技术；

步骤二：建立模拟槽底界面粗糙度微观随机特点模型；

步骤三：基于步骤二中模型生成具有相应随机特征的自相关函数粗糙表面3D模型并建立函数关系，所述粗糙表面自相关函数如下：

R(τ_x,τ_y)＝σ²exp{-2.3[(τ_x/β_x)²+(τ_y/β_y)²]^1/2}

其中σ为表面均方根粗糙度，τ_x、τy分别为x、y方向上的时间间隔，βx、βy分别为x、y方向上的相关长度，当βx＝βy时表面为各向同性，当βx≠βy时表面为各向异性；

步骤四：定义λr＝βx/βy为粗糙度纹理方向参数，λr＝1时为各向同性表面，通过调节βx和βy的长度比即可改变λr值，从而可以模拟具有一定纹理特征的各向异性表面；

步骤五：基于步骤四，改变λr值，当λr>1时，生成的表面具有横向纹理特征，而且λr值越大，横向纹理越明显。反之，λr<1时，可以生成具有纵向纹理特征的表面，λr趋近于零的时候，出现明显的纵向条纹；

步骤六：根据干气密封槽底流场分布规律，建立各类槽型；

步骤七：基于槽型，定义λg为槽型流场方向参数，规定λg趋近于零时表征与造型流线相切时的方向，规定λg＝1时为造型流线与流场流线夹角为α＝45度方向，规定λ_g＝λ_r-max时为造型流线与流场流线垂直方向；通过调节造型流线与流场流线夹角α即可改变λg值，从而可以与λr对应表征具有一定纹理特征的各向异性表面；

步骤八：基于可压缩气体平均流动方程，结合数值化粗糙3D模型，采用Matlab编程，计算出粗糙表面间隙气体流动的流量因子及其与纹理方向的关系；计算密封动压及泄漏率特性参数，得出表面粗糙形貌特征与特性参数之间的关系。

2.根据权利要求1所述的一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：所述槽型包括螺旋槽型、T型槽型和圆弧槽型。

3.根据权利要求1所述的一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：所述步骤八中的采用有限体积法求解。

4.根据权利要求1所述的一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：所述流量因子包括压力流量因子φ_x、φ_y及剪切流量因子φ_s。

5.根据权利要求1所述的一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽方法，其特征在于：所述计算机模拟表面的特点是每次产生的随机数据不同，计算结果具有随机性，所以单个表面需要经过多次计算取平均值。

6.一种基于槽底微造型设计的干气密封开槽装置，包括壳体(1)和轴(8)，其特征在于：所述轴(8)外圈设有轴套(6)，所述轴套(6)外设有静环座(3)，所述静环座(3)与壳体(1)连接，所述静环座(3)与轴套(6)之间设有静环(9)和防转销(4)，所述静环(9)左侧设有动环(12)，所述防转销(4)右侧设有弹簧(5)；所述静环座(3)与壳体(1)之间设有壳体用O型密封圈；所述动环(12)与轴套(6)之间设有动环O型圈。

7.根据权利要求6所述的基于槽底微造型设计的干气密封开槽的装置，其特征在于：所述静环座(3)与静环(9)直接设有静环用O型圈(10)。

8.根据权利要求6所述的基于槽底微造型设计的干气密封开槽的装置，其特征在于：所述轴套(6)上设有紧定螺钉。

9.根据权利要求6所述的基于槽底微造型设计的干气密封开槽的装置，其特征在于：所述轴套(6)与壳体(1)之间为密封腔体(13)。