柱面气膜密封

柱面气膜密封朱自明冯飞李发国研究背景及意义气膜密封是一种新型的、依靠微米级的气体薄膜润滑的非接触式机械密封，也称为干气密封。气膜密封技术主要有端面气膜密封技术和柱面气膜密封技术，端面气膜密封技术在地面透平机、压缩机等设备中广泛应用，取得了很好的经济效益。人们想将端面气膜密封应用于航空燃气轮机转子系统，但都以失败告终，其原因在于航空燃气轮机转子系统具有高转速、高压差、高温等严苛的工作环境，对此有学者提出柱面气膜密封技术。柱面气膜密封其独特的柔性结构可以应对航空燃气轮机转子系统剧烈的振动和热力变形，实现业界所追求的密封副之间的非接触摩擦，对降低航空燃气轮机油耗具有重要的意义。时间事件20世纪60年代初首次基于气体润滑轴承理论提出气膜密封概念，并试图用于航空发动机1969年英国约翰克兰公司开始从事气膜密封的研究1976年约翰克兰公司设计制造的第一套气膜密封在海洋平台输气管线离心压缩机上得到使用1985年美国杜拉美特立公司掌握气膜密封技术并开始制造气膜密封1987、1988年德国的Burgmann公司和美国的EG&GSEALOL公司开始从事气膜密封生产制造1988年中国石油大学开始从事气膜密封研究工作20世纪90年代初约翰克兰公司开发出泵用气膜密封产品1992年约翰克兰公司气膜密封产品随高速透平离心压缩机进口中国1996年国产气膜密封产品在巴陵石化鹰山石油化工厂首次使用至今已开发出系列风机、各类转子泵、低速搅拌设备用气膜密封产品并不断推广应用（一）柱面气膜密封研究方法柱面气膜密封当前尚处于研究阶段，鲜见成功应用。柱面气膜密封类似于径向轴承的工作原理，对其研究主要有2种方法2)建立正确的几何模型，采用fluent等流体有限元分析软件，得出密封表面的气膜压力，再研究密封结构各方面的性能。1)根据密封条件，建立适合的雷诺方程及纳斯一斯托克斯方程等物理方程，然后采用解析法、有限差分法或者有限元法求解相关方程，从而得出密封表面的压力分布，再进一步求得其稳态性能（1）柱面气膜密封性能的研究从1994年开始，Gardner和MohsenSalehi等进行了一系列的柱面气膜密封相关理论和试验研究，建立了其数学模型，推导出了表征其性能的参数计算公式。MoshenSalehi等在转速为56000r／min、轴径为72．1mm、环境温度为650℃和边界压差为10psi(689．5Pa)的条件下，在涡轮发动机模拟器上，进行了柔顺箔密封(柱面气膜密封的一种结构形式)性能测试。结果表明，柔顺箔密封的泄漏远小于刷式密封，轴颈表面没有明显的摩擦痕迹，且具有较高的柔性。2000年以后，北京航空航天大学针对柱面气膜密封进行了一系列的研究，通过求解数学模型数值模拟，得出了柱面气膜密封的气膜反力、气膜刚度、摩擦转矩和密封泄漏量等随可压缩数及气膜厚度的变化规律曲线；并采用微扰法，对柱面气膜密封的动态特性进行了研究，得出了动刚度系数和阻尼系数的计算式。（2）柱面气膜密封结构的研究马纲等对常见的几种螺旋槽形式下的性能进行了比较，并得出结论：在小膜厚下，顺流型螺旋槽的气膜反力较大，泄漏较小。故密封界面允许有较大的位移和变形，更适应于航空发动机关键部位密封的工况。国内学者采用有限元法对人字形螺旋槽的柱面气膜密封结构进行了数值计算，定量地分析了螺旋槽结构的各个参数对于密封特性的影响，得出了变化规律曲线，并得出螺旋槽的适合槽数为14～24，螺旋角的最优值约为60。，槽宽比应选择约0．5u1I．应用中动压槽参数的选择还需考虑其动态性能和自振稳定性等¨2I。（3）柔性支承系统的研究柱面气膜密封相比端面气膜密封的优势在于允许更大的径向位移，但是由于柱面气膜密封的气膜厚度很薄，一般只有几微米，而轴的径向摆动常常多达几毫米，为了避免密封轴和浮动环密封表面相接触应合理选用柱面气膜密封的柔性支承结构来隔离。自从1994年提出柱面气膜密封的概念以来，尝试了采用柔顺箔和橡胶等作为柔性支承结构，都取得了一定的成果。（二）柱面气膜密封研究的关键（1）密封系统结构形式（2）完整定量设计分析方法（三）柱面气膜密封的潜力柱面密封可有较强的柔性浮动支承结构，在转子剧烈振动和热力变形下保持一定气膜润滑。柔顺箔密封和薄叶板密封在模拟试验器和地面燃气轮机上的试验表明其能够在轴颈处形成流体动力的气膜密封，避免金属直接接触所发生的剧烈摩擦和磨损。虽然这种密封还存在着不足，但其具有较强的柔性适应能力，使其在克服大位移的障碍上更具潜力。柱面气膜密封的受力特点为柔性浮动支承的结构设计提供了可能。（四）柱面气膜密封研究存在的问题以及未来的发展方向（1）将柱面气膜密封结构的设计定量化需要一套完整的结构设计理论，目前这方面的研究主要是基于稳态性能的影响而提出的，实际应用中还需要考虑动态性能、气膜的自振特性和自振稳定性等的影响。（2）柔性支承结构是气膜密封的一个重要组成部分，对于柔性支承结构材料的选择和结构的设计是气膜密封研究中一个亟待解决的问题，最终要达到对柔性支承结构的定量设计和分析的要求。（3）柱面气膜密封的许多相关理论研究还不完善，在国内只有北京航空航天大学等少数单位在从事这方面的研究；因此，应充分考虑理论的细节，如温度和密封结构的表面粗糙度等对密封性能的影响。（4）柱面气膜密封的结构较复杂，而且对于制造工艺的要求相当高；所以，气膜密封的制造理论和技术是一项关键的技术。密封原理柱面气膜密封系统主要由柔性支承系统、浮动环和密封轴构成，其原理如图所示，动环有一定的偏心，在给定的载荷W和转速ωj下，在密封轴转向的收敛楔形间隙里，气体因黏性摩擦被轴从大口带向小口，产生憋油升压现象。柱面气膜密封的分类代表性的研究有：柔顺轴密封、柔顺箔密封、混合浮动刷密封(HFBS)、薄叶板密封、带金属橡胶外环的柱面密封结构口NASA首先在1994年提出了这种新概念密封。其薄片密封元件在流体动压气膜上浮动，以有效消除密封副磨损，并运转在设计的径向位移范围以内(≤0．381mm)。这是一种典型的通密封系统构件的弹性实现浮动，以在所设计径向位移范围内避免柱面气膜密封。柔顺轴密封柔顺箔密封基本组成包括顶箔、弹性凸起波形箔和支座。工作过程中，在箔孔与轴颈之间形成动压气膜，波形箔作为弹性支承适应转子轴颈的振动和变形。泄露远小于刷密封，具有较高的柔性，地面试验效果较好；但波形柔顺弹性支承难以进行定量设计和性能预测，限制了其应用推广该密封结构是一种刷密封和端面气膜密封的组合型式，特点是：既可以消除它们各自单独使用时来自转子的振动位移工况下的不良后果，又能够在混合运用中，发挥刷密封的“极富柔性”以应对振动位移等工况，发挥气膜密封的摩擦小、易浮动、密封性好并能应对高滑速、高环境温度的长处。混合浮动刷密封(HFBS)此项研究仅为一种新颖的设计概念，还未进行深入的理论和试验研究薄叶板密封这种密封的泄漏性能接近刷式密封，叶板的尖部有轻微擦亮，磨损量非常小。从结构和工作特点看，这种薄叶板密封也可以看成是柔顺轴密封的一种具体设计结构和试验运转验证。国内对于柱面气膜密封技术的研究刚刚起步，相关的研究资料很少。带金属橡胶外环的柱面密封结构口2011年，王虹等首次提出了带金属橡胶外环的柱面密封结构，并对其稳态性能进行了数值模拟。结果表明，如果合理设计该结构，其泄漏量远小于直通式篦齿密封。同时，提出了对该种柔性支承结构的定量设计方法。工作时，刚性浮环和转子轴颈之间形成动压气膜，而金属橡胶作为弹性支承结构，不仅其自身具有一定的刚度，而且可以允许一定的径向位移。六种典型界面结构型式螺旋槽顺流型、逆流型、对称人字槽型顺流人字槽型、逆流人字槽型、阶梯型结构（一）偏心率对稳态性能的影响3种稳态特性参数都随着偏心率ε的增加而增大,其中泄漏量Q和摩擦转矩M随着偏心率的增加呈现近似抛物线形的增长。（二）密封压差对稳态性能的影响气膜浮升力F与摩擦转矩M随着密封压差Δp的增大呈抛物线状增加，而泄漏量则呈线性趋势增大（三）槽数对稳态性能的影响图在(a)中，随着槽数的增加，气膜浮升力在一固定数值上下浮动，随着偏心率ε的上升，气膜浮升力数值逐渐增大。在图(b)中，随着槽数的增加，摩擦转矩逐渐增大，且偏心率越大增加的幅值越大。在图(c)中，随着槽数的增加，泄漏量逐渐减小最后趋于稳定，当槽数n12时，泄漏量基本不变。（1）不同偏心率下槽数对稳态特性的影响（2）不同密封压差下槽数对稳态特性的影响图(a)中，随着槽数的增加，气膜浮升力逐渐减小。图(b)中，随着槽数的增加，摩擦转矩也呈现上升趋势。图(c)中，随着槽数的增加，泄漏量先下降后上升，最后达到稳定。（四）螺旋角对稳态特性的影响图(a)中，随着螺旋角α的增加，气膜浮升力逐渐减小，随着螺旋角的不断增大，螺旋槽母线曲率逐渐增大。图(b)中，摩擦转矩随着螺旋角的增加而增大，图(c)中，泄漏量随着螺旋角的增大而相应变大，并且偏心率越大，泄漏量也越大。（1）不同偏心率下螺旋角对稳态特性的影响（2）不同密封压差下螺旋角对稳态特性的影响图(a)中，随着螺旋角的增加，气膜浮升力先小幅度上升后剧烈下降，呈现“波峰”的变化趋势；图(b)中，摩擦转矩随着螺旋角的增大而逐渐增大；图(c)中，泄漏量随着螺旋角的增加呈现先上升后下降并趋于稳定的分布规律。（五）槽深对稳态特性的影响图(a)中，随着槽深的增加，气膜浮升力逐渐下降；图(b)中，摩擦转矩随着槽深的增大而增大；图(c)中，泄漏量随着槽深的增加虽呈现近似线性上升趋势但增大幅度并不明显。（1）不同偏心率下槽深对稳态特性的影响（2）不同密封压差下槽深对稳态特性的影响随着槽深的增加，气膜浮升力、摩擦转矩和泄漏量都呈上升趋势（六）密封宽度对稳态特性的影响图(a)中，随着密封宽度L的增加，气膜浮升力也随之上升。图(b)中，随着密封宽度的增加，摩擦转矩呈上升趋势但幅度较小，随着偏心率的上升，摩擦转矩的变化幅度增大。图(c)中，泄漏量随着密封宽度的增加逐渐下降最后在L=0.035m处趋于稳定（1）不同偏心率下密封宽度对稳态特性的影响（2）不同密封压差下密封宽度对稳态特性的影响图(a)中，气膜浮升力随着密封宽度的增加先增大后减小。图(b)中，随着密封宽度的增加，摩擦转矩呈线性增长，随着密封压差的上升，摩擦转矩也呈现上升趋势；图(c)可得，在L=0.02～0.035m之间泄漏量迅速下降，在L0.04m时，泄漏量的数值基本趋于稳定。（七）性能分析的结论（1）随着偏心率的增加，泄漏量和摩擦转矩呈现近似抛物线形的增长。气膜浮升力随偏心率的增大先快速上升后上升幅度减缓，当偏心率ε0.6时，又恢复快速上升趋势。气膜浮升力、摩擦转矩和泄漏量都随着密封压差的增大而上升，上升幅值：摩擦转矩气膜浮升力泄漏量。（2）综合分析气膜浮升力、泄漏量和摩擦转矩的影响，推荐柱面螺旋槽槽数的取值范围应在12～18之间；在满足气膜浮升力的前提下，槽深应尽可能小以减小泄漏量和摩擦转矩；螺旋槽密封宽度的推荐值为L=0.03～0.045m，螺旋角的推荐值为40°～50°。（3）在不同偏心率下，随着槽数的增大，摩擦转矩增大，泄漏量减小，气膜浮升力基本不变；气膜浮升力随着槽深的增加而减小，但摩擦转矩和泄漏量呈下降趋势；密封宽度的增大使得气膜浮升力和摩擦转矩上升，泄漏量下降；螺旋角增大，气膜浮升力下降，摩擦转矩和泄漏量上升。在不同的密封压差下，槽数的增加导致了气膜浮升力和泄漏量的下降，以及摩擦转矩的上升；随着槽深的增加，三者皆呈上升趋势；气膜浮升力随着密封宽度的增加先下降后上升，摩擦转矩逐渐上升，泄漏量下降并趋于稳定；螺旋角的增大导致了气膜浮升力先小幅度上升后下降的趋势，摩擦转矩上升，泄漏量先上升后下降。先进的密封技术对于航空发动机整机性能提高的影响日益突出，气膜密封技术的发展意义重大。针对航空发动机密封工况和研究进程的研究分析表明，柱面气膜密封研究具有很大的潜力。在国外对于相关技术设计分析研究严格保密的情况下，对于航空燃气轮机转子柱面气膜密封研究的关键在于：从结构的柔性出发，探求具有足够“自适应性”且易于进行定量设计分析的大柔性支承结构形式；建立密封系统完整的定量设计分析方法，以