螺旋槽机械密封稳态性能解析法分析

第1章 绪论 1.1 螺旋槽机械密封 螺旋槽机械密封是指密封端面加工有螺旋槽的机械密封，包括液体润滑螺旋槽机械密封、气体润滑螺旋槽机械密封和气液两相润滑的螺旋槽机械密封。气液两相润滑的螺旋槽机械密封目前尚不成熟。 1.1.1 液体润滑螺旋槽机械密封 液体润滑机械密封一般指全液膜润滑非接触机械密封，也称为液膜机械密封。该类机械密封涉及液膜的空化问题，即气液两相问题，但一般不认为是气液两相机械密封。液膜机械密封包括液体动压式、液体静压式和液体动静压混合式，其中以液体动压式机械密封*为常见。具体有上游泵送机械密封、下游泵送机械密封等多种形式。流体在端面间的“泵送”可以通过多种方式实现，其中以螺旋槽的应用*为广泛。 1. 上游泵送机械密封 上游泵送机械密封是普通机械密封的端面被一具有低流量、高扬程(压力)的“端面泵”所代替，该“泵”把少量的低压缓冲流体(buffer liquid)沿密封端面输送到高压密封腔，从而实现从低压侧(下游)向高压侧(上游)的泵送。该密封端面的“泵送”效应可通过在端面开各种流体动压槽来实现，其中*常见的就是螺旋槽。 一种典型的螺旋槽上游泵送机械密封见图1-1，其螺旋槽端面结构见图1-2。该螺旋槽上游泵送机械密封由一内装式机械密封和装于外端的唇型密封组成。机械密封端面加工有螺旋槽，将低压缓冲隔离液体从密封压盖空腔泵送入高压腔泵。唇型密封作为缓冲隔离流体的屏障，将缓冲隔离流体限制在密封压盖腔内。 图1-1 上游泵送机械密封 图1-2 上游泵送机械密封的螺旋槽端面 2. 下游泵送机械密封 下游泵送机械密封是指从高压侧(上游)向低压侧(下游)泵送的机械密封。对于如图1-2所示的上游泵送机械密封端面来说，如果内径(ri)处隔离流体的压力pi高于密封腔压力po，那么在同一旋转方向下，流体从高压侧(上游)被泵送到低压侧(下游)，实际上是下游泵送机械密封，而不是上游泵送机械密封。其端面螺旋槽的作用和密封环两侧压差的作用均使流体从高压侧(上游)流向低压侧(下游)。 下游泵送机械密封一般可作为泵入式(流体向轴心方向流动)结构使用，如图1-3所示。密封环的外径处为被密封的高压流体，内径处为低压流体或外界环境。螺旋槽开在密封端面的外侧，与高压流体相接触。密封坝在内侧。液体在外侧高压力及螺旋槽的共同作用下向内侧流动，从而实现从高压侧(上游)向低压侧(下游)的泵送。如果没有螺旋槽等流体动压槽结构，那么就是普通的内流式机械密封结构。与普通机械密封和上游泵送机械密封相比，下游泵送机械密封具有较大的端面开启力和液膜刚度，但泄漏率也较大。 图1-3 下游泵送机械密封的端面结构 此外，尚有由正反向螺旋槽组合而成的上下游泵送混合式机械密封，即密封端面同时具备上游泵送螺旋槽和下游泵送螺旋槽结构，可以是总体上游泵送机械密封或总体下游泵送机械密封。总体上游泵送机械密封是指密封总体是上游泵送的，即起上游泵送作用的螺旋槽为主螺旋槽(较长)，总体作用使流体实现上游泵送功能，可归类为上游泵送机械密封；起下游泵送作用的副螺旋槽较短，主要起改善压力分布、提高液膜刚度的作用。相反，总体下游泵送机械密封是指密封总体是下游泵送的，即起下游泵送作用的螺旋槽为主螺旋槽(较长)，总体作用使流体实现下游泵送，可归类为下游泵送机械密封；起上游泵送作用的副螺旋槽较短，主要起改善压力分布、提高液膜刚度的作用。 1.1.2 气体润滑螺旋槽机械密封(干气密封) 气体润滑机械密封一般指密封端面依靠气体实现非接触的机械密封，也称为气膜机械密封，包括流体动压式气体润滑机械密封、流体静压式气体润滑机械密封和流体动静压混合式机械密封。这类气体润滑机械密封也通称为“干气密封”(dry gas seal)。“干气”意指要求润滑气体 “干燥(dry)”，不会发生液体析出。同时，也有“干净”的意思，即要求润滑气体不含固体颗粒。 螺旋槽干气密封也可分为泵入式螺旋槽干气密封和泵出式螺旋槽干气密封。 1. 泵入式螺旋槽干气密封 气体润滑机械密封即干气密封，一般采用密封端面外径侧高压(简称外高压)的泵入式结构。外高压单端面干气密封的典型结构如图1-4所示，包含静环、动环组件(旋转环)、辅助密封O形圈、弹簧和弹簧座(腔体)等零部件。静环位于不锈钢弹簧座内，用辅助密封O形圈密封。弹簧在密封无负荷状态下使得静环与动环相贴合。而动环固定在转子上随轴一起旋转。 图1-4 单端面干气密封 在动环表面上加工有一系列的螺旋槽，如图1-5所示。不过螺旋槽也可以加工在静环上，但一般加工在旋转环(动环)上，并使用硬质材料，如碳化硅陶瓷或碳化钨硬质合金等。随着转子转动，气体由外泵送到螺旋槽的根部 (泵入式结构)。根部以外的一段无槽区称为密封坝。密封坝对气体的流动产生阻碍作用，提高了气膜压力。动、静环间的气膜压力形成了端面开启力，从而使动环表面与静环表面处于非接触状态，其间隙一般为3～5μm。密封端面间充满流动的气体，形成全气膜润滑状态。当由气体压力和弹簧力产生的密封闭合压力与端面间气膜压力形成的开启压力相等时，便建立了稳定的平衡膜厚。正常情况下，该气膜具有自我稳定的能力，即具有自动调整、维持膜厚不变的能力，此时气膜厚具有正刚度。气膜刚度为单位气膜厚度变化引起的开启力(矩)变化。 图1-5 泵入式螺旋槽干气密封的端面结构2. 泵出式螺旋槽干气密封 泵出式螺旋槽干气密封是指端面的螺旋槽开在端面的内侧(靠近内径)，密封坝在端面的外侧(靠近外径)，气体从密封端面的内侧(内径处)向外侧(外径处)泵出的干气密封，如图1-6所示。其结构与液体润滑的上游泵送机械密封类似。但是，泵出式干气密封主要用在泵等设备上，以实现气体对液体的密封。此时，被密封的液体仍在密封环外侧，但密封环内侧是带压气体且气体压力比液体压力高，这时少量的密封气体会进入被密封的液体介质。泵出式干气密封的密封端面是纯气体润滑，属于干气密封。密封气体从高压气体侧向低压液体侧流动，属于向下游泵送气体，本质上属于下游泵送机械密封。 图1-6 泵出式干气密封 1.2 螺旋槽机械密封端面流体膜性能分析——近似解析法的研究进展 解析法可以直接揭示模型的物理本质，是研究机械密封端面间流体膜特性的一种重要方法。螺旋槽机械密封的近似解析法*初起源于螺旋槽轴承理论。1951年，Whipple[1]把止推轴承设想为两个平行面，其中一个平面上开有一系列等间距分布的直槽，槽与运动方向呈一定倾角，忽略槽底位置流体的复杂流动，通过质量守恒定律推导了间隙内流体的压力微分方程。虽然该理论认为流体局部上不可压缩，但是能够在整体上求解可压缩流体的压力分布。随后，Vohr和Pan[2]对Whipple(惠普尔)的窄槽理论开展了深入研究，推导了适用于非平行平面且直槽间不平行时间隙内流体的压力微分控制方程，该方程考虑了可压缩的情况，适用于可压缩气体润滑轴承。1966年，Muijderman[3]在Whipple窄槽理论的基础上建立了不可压缩流体、可压缩流体的螺旋槽止推轴承端面间的压力分布控制方程，出版了《螺旋槽轴承(Spiral Groove Bearings)》一书，详细阐述了螺旋槽止推轴承两端面间流体压力分布控制方程的推导过程及螺旋槽止推轴承端面摩擦力矩的计算公式，分析了不同因素对螺旋槽止推轴承润滑性能的影响，并且讨论了不同槽型端面间的压力分布、摩擦力矩和泄漏率等。随着螺旋槽机械密封的优良性能逐步被发掘，适用于螺旋槽止推轴承的近似解析研究方法——Muijderman无限窄槽理论逐渐应用于螺旋槽机械密封领域。 1972年，Smalley[4]基于窄槽理论给出了适用于径向螺旋槽轴承、端面螺旋槽轴承和球面螺旋槽轴承的一般化方程，但该方程只能利用数值法进行求解，即采用经典窄槽理论和有限差分法相结合的方式求解密封间隙内的压力控制方程，并从中得到泄漏率、刚度、摩擦功耗等性能参数。1973年，Sneck和Mcgovern[5]用近似解析法求解了针对含槽线较窄密封面上的雷诺润滑方程，得到了密封的泄漏率、刚度、摩擦功耗等性能参数，但是由于该方法较复杂且不够严谨，因此并没有得到广泛重视。1974年，Elord和Adams[6]运用渐近展开和匹配的方式，同时考虑槽区和台区呈周期性分布的特点，推导了平均压力下的广义Whipple压力微分方程，并且修正了Muijderman算法中的边缘环境压力。1979年，Gabriel[7]对螺旋槽干气密封的基本工作原理及密封性能进行了详细的论述，采用无限窄槽理论全面分析了操作条件对密封性能的影响规律，并且详细阐述了当时常见的典型密封结构及密封环材料。这篇论文在干气密封的发展历程中具有重要意义，并在1994年又被重新全文发表[8]，其中所提供的干气密封参数及计算结果一直被干气密封研究工作者奉为经典，至今仍时常作为干气密封算法的验证对象。 随着科学技术的进步，适用于机械密封端面压力求解的研究方法蓬勃发展，但近似解析法因其独有的魅力像沙金一般闪烁着光芒，一直没有被时代发展的浪潮所淘汰。1999年，作者利用Muijderman无限窄槽理论推导了适用于求解螺旋槽上游泵送液膜密封的槽根压力、端面流体膜的压力分布、端面开启力、泄漏率、摩擦功耗及上游泵送速率等的计算表达式[9]，这为螺旋槽上游泵送液膜密封的推广应用提供了一定的理论指导作用。随后，针对高压气体在密封环内侧的泵出型螺旋槽干气密封，作者基于近似解析法探讨了泵出式密封气膜压力的计算方法，并根据密封坝、螺旋槽均等宽的原则[10]，将Gabriel(加布里埃尔)经典文献中泵入式螺旋槽干气密封结构转化为对应的泵出式结构，并对比研究了两种干气密封的性能变化规律，*后指出同样条件下泵出式螺旋槽干气密封的开启力低于泵入式。2009年，作者对Gabriel经典文献中的端面气膜力数据及计算公式进行了详细研究，并指出了可能存在的问题[11]。 虽然单列螺旋槽结构的动压效果良好，但在主轴反转的情况下将丧失运行稳定性，故在保留螺旋槽结构优势的基础上，王玉明院士发明了一种新型双列螺旋槽机械密封，其长槽位于密封端面外侧，短槽布置于端面内侧，槽的整体结构呈人字状。2009年，针对新型双列螺旋槽机械密封，王玉明等基于无限窄槽理论推