湍流效应对干气密封性能影响的研究进展.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:丁雪兴,蒋海涛,徐洁,等湍流效应对干气密封性能影响的研究进展润滑与密封,():,():基金项目:国家重点研发计划项目();兰州理工大学研究生科研探索项目收稿日期:;修回日期:作者简介:丁雪兴(),男,博士,教授,研究方向为流体动密封。:。通信作者:蒋海涛(),男,硕士研究生,研究方向为流体动密封。:。湍流效应对干气密封性能影响的研究进展丁雪兴 蒋海涛 徐 洁 严如奇 丁俊华(兰州理工大学石油化工学院 甘肃兰州)摘要:在干气密封的理论研究与设计计算过程中,一般都是基于层流流动假设下进行的,但随着密封运行工况渐趋于高参数化、工艺介质多相化,在高参数、极
2、端复杂工况下时流体会处于湍流流动状态,传统的层流流动理论就变得不再适用,因此在干气密封的理论设计与研究中就需要考虑润滑气体的湍流效应。总结现今应用较为广泛的 种湍流润滑模型,即 模型、模型和 模型,并介绍各模型的理论基础与适用范围。对湍流润滑方程及其在不同模型下的湍流系数表达式进行说明,综述考虑湍流效应对干气密封稳、动态性能影响的国内外研究进展。关键词:干气密封;湍流润滑;密封性能;湍流效应;动态性能中图分类号:(,):,:;自 世纪 年代 密封公司首次公开干气密封(,)专利以来,作为一种以干燥清洁气体为润滑介质的密封形式,以其独特且优越的密封性能迅速在石油化工、离心压缩机、能源运输中得到广泛
3、应用。相较于传统迷宫密封、浮环密封等结构简单的柱面密封,干气密封不仅具有优异的密封特性,能严格控制密封介质泄漏,还具有优越的低磨损、低功耗性能。干气密封的出现无疑推动了航空发动机、燃气轮机等的发展。干气密封专利公开后不久美国的 公司就投入了大量的精力致力于应用研究,积累了大量的试验数据与实际经验。但干气密封应用于航空发动机还有许多急需解决的问题,特别是在超高速、大膜厚等极端复杂条件下的适应性问题,使得干气密封最终没能在航空发动机上实现产业化。常见的干气密封结构由动环、静环、弹簧座、推环、轴套、压紧套等构成。动环开槽端面结构如图 所示,当动环旋转时,被密封气体会沿着切向泵吸入槽内,气体沿槽向槽根
4、部运动,在根部受到密封堰的阻碍作用,气体逐渐减速并被压缩,形成推开静环的力。近年来,随着石化、能源及输运等领域的快速发展,要求旋转机械向高参数工况(高温、高速、高压等)发展,且在石化等行业,很多工艺气体介质都具有易燃、易爆、有毒等特性,一旦发生密封失效,介质的泄漏就会对环境产生不可预知的威胁,极易引发爆炸、火灾等重大安全事故,造成不可挽回的损失,因此对 的密封性能、使用环境以及可靠性等提出更高的要求。图 螺旋槽干气密封开槽端面结构示意 当干气密封运行在超高速、高压、大膜厚等极端复杂条件下时,流体流动会处于一种新的湍流状态,传统的层流流动理论就会变得不再适用,因此在干气密封的理论设计与研究中就需
5、要考虑润滑气体的湍流效应。本文作者总结 种不同的湍流润滑基本理论模型以及各理论的来源、适用范围与存在的不足,较为系统地综述了湍流效应对干气密封稳、动态性能影响的国内外研究进展。湍流润滑模型及方程随着旋转机械的应用发展,使用转速的不断提高,大尺寸结构的出现,以及低黏度润滑介质的使用,使得密封中的流体润滑状态由层流逐渐转变为湍流。一般情况下,湍流效应会使得润滑液膜的黏度增大,流体动压效应增强,会对机械密封和转子轴承系统产生较为重要的影响。相比于层流流动,湍流的流动速度在各个方向都具有分量并且速度还会随着时间的变化而千变万化,即会产生速度脉动,加上湍流流场内在机制分析的复杂性,所以目前仍然没有对湍流
6、流动状态和特性规律形成较为一致的认识。研究湍流流动中的速度脉动规律具有极大难度,目前被广泛认可且有效的方法是统计时均法,此方法将湍流流动人为划分为以时均值表示的主流部分和以脉动值表示的脉动部分,脉动项体现了湍流流动的本质。湍流润滑模型自从 世纪 年代开始,国外众多学者针对湍流润滑理论和湍流流动机制进行了较深入的研究。湍流润滑最早始于滑动轴承领域,逐渐形成了应用较为广泛的 种湍流润滑理论模型,如表 所示,分别是 模型、模型和 模型,并在薄膜润滑轴承和密封性能分析领域中得到了大量应用。表 湍流润滑理论模型 湍流理论模型理论基础 模型 混合长度理论 模型 经验“壁面定律”模型“”整体流从理论层面上研
7、究湍流润滑问题,关键在于如何获得平均速度梯度与湍流应力之间的数值关系。是 湍 流 润 滑 理 论 研 究 的 开 创者,他以 混合长度理论为研究依据,将湍流应力用平均速度梯度来表示,并对简化的 方程进行求解和分析,首次建立了不可压缩湍流动力润滑理论。但由于这种方法考虑强 流而弱化了压力流的作用,导致其只适用于动压润滑轴承,应用于静压轴承和混合轴承时可能会产生错误。在这之后,又将目光放在可压缩流体润滑的研究上,并首次给出了可压缩流体在可逆绝热过程下的动力润滑方程。但他所提出的研究理论没有考虑到层流和完全湍流之间的缓冲过渡区域,导致剪应力在此不连续;同时对于非平面流动也没有充分考虑,致使该理论在表
8、面开槽轴承或粗糙表面机械密封中的适用性也有待进一步验证。针对 模型理论研究的不足,和 基于 假设,提出了一种新的线性化湍流理论模型,该模型采用湍流剪切流动的“壁面定律”来分析湍流润滑,将湍流应力以平均速度梯度和涡黏系数表示,假定湍流动量输运过程具有各向同性,使得对非平面流动的求解成为可能。同时他们建立了一种不考虑惯性力影响的湍流润滑分析方法,为不可压缩湍流润滑轴承的研究提供了一个新的思路。随后 和 在上述理论的基础上进行相关拓展,并充分 年第 期丁雪兴等:湍流效应对干气密封性能影响的研究进展 考虑已被试验验证的湍流剪切流动事实,将“壁面定律”同流体薄膜内部局部剪切应力结合起来,提出了一种可以适
9、用于分析流体动压轴承、静压轴承和混合轴承湍流润滑的新方法,并得到成功应用。虽然上述方法对不可压缩流体的湍流润滑具有广泛适用性,对于可压缩流体润滑的适用性尚待验证,但很多学者仍然认为 模型比 模型具有更准确的计算能力与适用性。随着研究的进一步深入,介绍了一种有别于上述 种湍流模型的全新方法,即“”湍流润滑理论,也称为整体流理论。该方法用雷诺数的幂次关系来表示湍流应力,经验常数由试验测量的体积流量得出,抛开对时均速度分布的研究,优点是适用于雷诺数较小的湍流润滑和低运动黏度的流体润滑分析中,同时在较大雷诺数湍流流动中也能保持很好的适用性。上述 种湍流理论模型搭建了求解湍流流动下由速度脉动引起的雷诺应
10、力的主体框架,其核心思想都是如何将湍流应力用时均速度下的黏性剪切力表示。湍流理论模型的不断完善使得人们对湍流流动有了更为规律性的认识,这也推动了轴承和密封等润滑部件中薄膜润滑湍流效应影响及相关规律的研究。湍流润滑雷诺方程 等,在考虑湍流作用的同时,在 方程中保留了惯性项,通过对速度平方的积分项进行近似处理,给出了考虑平均流体惯性效应的一维湍流润滑方程。然后通过分析平均速度与压力梯度在雷诺数不同情况下的关系,首次建立了不可压缩湍流动力润滑理论。此后又将该理论延伸至可压缩流体润滑,给出了理想气体在等温过程下的湍流动力润滑 方程:()随后,和 在 假设的基础上,利用 公式把涡黏系数与壁面距离进行了关
11、联、对压力梯度与速度之间的关系进行线性化处理,获得了线性化的湍流润滑方程。现阶段,湍流润滑 方程皆是从流体微元的受力平衡出发,如图 所示,基于 方程,分析湍流运动中的剪切应力,对雷诺应力沿膜厚方向进行积分,综合速度边界条件进行化简;然后求解二维流动下的平均速度,结合边界条件获得径向和周向平均速度;最后根据求解的径向和周向速度对连续性方程在膜厚方向进行积分,忽略在膜厚方向的压力梯度,并不考虑密封端面的变形,获得在湍流流态下,考虑离心惯性力效应的稳态可压缩雷诺方程。如式()所示。()()图 微元体受力示意 湍流系数周向湍流系数 和径向湍流系数 在确定密封端面间气膜流场的求解、区分层流和湍流流态的过
12、程中起着至关重要的作用。为分析湍流效应对润滑膜内流场的影响规律,和 曲线拟合了 湍流系数分布图,得到了湍流系数的经验表达式:()()以 流为主导的 湍流模型的具体湍流系数表达式如下:()()基于整体流理论所提出的湍流模型,在较大雷诺数湍流流动下也能很好地符合“壁面定律”,其周向和径向的湍流系数可表示为 ()()上述式中,为当地 数。通常情况下,将 的流动状态看作是层流,此时,周向湍流系数与径向湍流系数相等,取。将 的流动状态看作是湍流,此润滑与密封第 卷时,周向湍流系数与径向湍流系数采用不同模型有不同的计算表达公式。然而,当临界雷诺数 时,不论按照何种湍流模型计算得出的湍流系数并不近似等于,这
13、个现象说明湍流系数从层流到湍流的过程中存在跳跃。而湍流系数在数学计算上的不连续性,恰好反映出从层流到湍流的过渡区被忽视。在真实的流动过程中,流态是随着雷诺数的增加从层流转变到过渡流,再从过渡流转变为湍流。通过对其他学者给出的圆盘试验进行分析,给出了在间隙值满足 的上临界雷诺数 与下临界雷诺数 。等对周向湍流系数与径向湍流系数分别提出一个过渡函数,相应的湍流系数表达式如下:()()()()湍流效应对干气密封性能影响的研究现状 湍流效应对干气密封稳态性能影响的研究现状湍流理论模型的不断完善使得人们对湍流流动有了更为规律性的认识,这也推动了轴承和密封等润滑部件中湍流效应及相关规律的研究。在很长的一段
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