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清华大学学报(自然科学版)  2014, Vol. 54 Issue (2): 223-228    
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基于半解析法的极端工况干气密封动态特性研究与参数设计
刘向锋(),徐辰,黄伟峰
 
Analysis and parametric design of the dynamics of a dry gas seal for extreme operating conditions using a semi-analytical method
Xiangfeng LIU(),Chen XU,Weifeng HUANG
State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China
全文: PDF(1482 KB)   HTML
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文章导读  
摘要 

采用Miller与Green提出的半解析方法,对极端工况下螺旋槽干气密封的动态特性进行了研究。首先运用有限元方法数值求解可压缩气体Reynolds方程,通过计算气膜对膜厚阶跃变化的响应,建立了干气密封中气膜的动刚度模型。在频域内将该模型应用于密封环的动力学分析,通过数学变换得到密封环在时域内的运动,从而建立了干气密封动态响应的解析式分析方法。利用该方法分析了干气密封对轴向、角向位移扰动的响应,并研究了密封端面几何参数对动态特性的影响规律。通过参数设计,可以得出端面参数的合理取值范围,从而改善密封动态性能。

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刘向锋
徐辰
黄伟峰
关键词 干气密封(DGS)动态特性半解析法螺旋槽    
Abstract

The dynamics of a spiral groove dry gas seal (DGS) are analyzed using extreme operating conditions based on the semi-analytical method developed by Miller and Green. The compressible form of the Reynolds equation is solved numerically with a finite element method for the DGS gas film model to determine the stiffness model for the gas film during the dynamic process by calculating the gas film response to a step jump in the film thickness. Then, the stiffness model is applied to the kinetic model of the seal ring in the frequency domain. The movement of the seal ring in the time domain is obtained by an inverse Laplace transform. The method is used to solve for the transient response of a DGS to both the axial and tilt initial disturbances. The influences of the geometric parameters are evaluated to find reasonable parameters for parametric design to improve dynamic performance of the DGS for turbine compressor spiral groove DGS designs.

Key wordsdry gas seal (DGS)    dynamic property    semi-analytical method    spiral groove
收稿日期: 2013-07-02      出版日期: 2014-02-15
ZTFLH:     
基金资助:国家 “九七三” 重点基础研究项目 (2012CB026003);国家科技重大专项项目 (ZX06901)
引用本文:   
刘向锋, 徐辰, 黄伟峰. 基于半解析法的极端工况干气密封动态特性研究与参数设计[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 223-228.
Xiangfeng LIU, Chen XU, Weifeng HUANG. Analysis and parametric design of the dynamics of a dry gas seal for extreme operating conditions using a semi-analytical method. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2014, 54(2): 223-228.
链接本文:  
http://jst.tsinghuajournals.com/CN/  或          http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2014/V54/I2/223
  干气密封结构示意图
  干气密封动环环面结构示意图
  密封环动力学模型示意图
静环外径ro 255 mm 气体黏度μ 1.9×105N·s/m2
静环内径ri 205 mm 内压pi 0.1 MPa
槽坝宽比 0.5 外压po 10 MPa
槽台宽比 0.5 平衡间隙C0 3 μm
螺旋槽槽数N 18 转速ω 10 000 r/min
螺旋角β 20° 静环质量m 0.485 kg
槽深δg 8 μm 转动惯量I 6.49×10-3 kg
轴向刚度ksZ 1×105 N/m 角向刚度ksγ 800 N·m/rad
轴向阻尼csZ 800 N·s/m 角向阻尼csγ 6.5 N·m·s/rad
  计算标准密封的参数
  气膜动刚度模型系数
  静环对初始扰动的时域响应
  螺旋角对密封动态特性的影响曲线
  槽深对密封动态特性的影响曲线
  槽坝比对密封动态特性的影响曲线
  槽台比对密封动态特性的影响曲线
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