天然气管线压缩机干气密封具有轴径大、压力高、频繁启停等特点,国产化研制难度较大。介绍了国产化研制过程中的端面流场、摩擦副温度场及热力变形理论分析,关键结构设计与选材,性能测试试验程序与结果,现场应用等方面,研制的产品能够满足现场工况要求,达到了预期效果。同时给出了该类压缩机干气密封的结构型式、槽型数据、泄漏量标准、主要结构细节等关键信息,为其他管线压缩机干气密封的研制工作提供了一些参考。

为研究微扰下的波度端面机械密封的动态特性,基于流体润滑理论和小扰动法,考虑液膜空化建立计入JFO边界条件的微扰膜压控制方程,数值求解密封端面液膜三自由度微扰下的动态刚度和阻尼系数,分析几何参数和操作参数对波度端面机械密封动态特性系数的影响规律。结果表明:随着介质压力的增大,液膜动态刚度和阻尼系数均增大,有利于提升密封动态稳定性;高转速下虽液膜动态刚度系数增大,但液膜阻尼特性变差,密封工况运行易产生失稳;随着波锥比的增大,液膜动态刚度和阻尼系数均增大;波数约为8、坝宽比约为0.25时,液膜动态刚度和阻尼系数能得到相对优化结果。

将声发射技术应用于液膜密封端面状态监测时,声发射信号易受噪声影响、特征信号难以提取,为此提出一种基于奇异值分解和自适应变分模态分解(SVD-AVMD)的信号处理方法。该方法首先以奇异值分解消除信号中的随机强噪声影响,获取降噪信号,然后在不同模态数下对降噪信号作变分模态分解,并计算各模态分量与降噪信号之间的显著性水平,以显著性水平大于阈值作为分解的停止准则,最终达到获取最优模态分量的目的。结果表明:SVD-AVMD对各模态分量中心频率的捕捉能力以及对各模态分量的恢复效果均明显优于单纯的变分模态分解,能够滤除背景噪声的同时最大程度地保留有效信息;获得表征液膜密封端面状态的声发射信号,实现了对液膜密封端面状态的识别。

为了分析惯性效应对超临界二氧化碳干气密封动态性特性的影响规律,建立考虑惯性效应的变黏度变密度螺旋槽干气密封动态特性数学模型,采用有限差分法和小扰动法求解超临界二氧化碳干气密封动态特性参数,分析操作工况远离及靠近临界点时,超临界二氧化碳干气密封动态特性变化规律及惯性效应对其影响程度。结果表明:无论操作工况是否靠近临界点,动态特性系数都随压力的增大而增大,动态刚度系数随转速的增大而增大;动态阻尼在近临界点随转速的增大而增大,远离临界点则相反;考虑惯性效应时的动态特性系数比不考虑惯性效应时的偏低;操作工况近临界点时,惯性效应不可忽略,远离临界点时,惯性效应可忽略不计。

为研究高速、低温涡轮泵机械密封在两相状态下的膜压特性,基于均相流理论,建立包含热效应、离心惯性效应以及实际气体效应的机械密封流体膜轴对称相变模型,以液氧为密封介质分析离心惯性项对流体膜压力和相变的影响机制,研究工况参数对膜压系数的影响规律。结果表明:考虑离心惯性项时,外压式机械密封膜压有所降低,相变程度有所增大;等温条件下,随介质温度升高,膜压系数存在不稳定峰值,非等温条件时,介质温度的轻微变化将影响密封运行稳定;当介质温度大于90 K时,介质压力的增大虽使膜压系数减小,但也使密封稳定性增强;膜厚为2.0μm时存在膜压系数最大值,密封承载力较大但密封稳定性较差。

为研究高速、低温工况下的液膜密封气液两相流现象,基于均相流体理论,构建了液膜密封相变模型,分析了流体膜两相流动特性和工况参数对相态转变的影响。结果表明:流动空间发散是槽区相变的主要因素,相变的吸热散热导致温度场显著变化;转速升高时,流体动压增强,温度升高,相变范围扩展,相变速率增大;介质温度升高使流体动压减弱,汽化吸热量增大、黏性耗散热量减少是端面流体冷却的原因。

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。

以少量常压煤油介质条件下涡轮泵用球面装配机械密封为对象,通过实验测试分析端面磨损形成机理。设计实验工装,实现金属环截面9点温度矩阵和石墨环座3位置轴向位移的测试,得到两种弹簧力条件下温升和位移演变数据,并对磨损端面进行光学显微观测和径向轮廓测量。结果表明:磨损深度以内径处最大,至靠近外径处一定宽度内无磨损;随转速的升高密封环轴向及径向温度梯度不断增大;两工况下密封环倾转热变形造成的端面间隙锥度约为2.5 mrad和7.5 mrad。对于该型式密封,有必要通过端面开设流体动压槽以形成主动泵入润滑等方法来改善流体静压润滑效应缺失造成的严重磨损。

针对航空发动机附件机匣传动轴端机械密封易提早失效的问题,提出在其端面开设激光脸槽型的改进方法,采用试验手段研究在喷油润滑条件下,激光脸机械密封的摩擦磨损特性、热特性及泄漏情况。自主设计可模拟喷油润滑工况的机械密封试验工装,定制可进行润滑油加热的集成型液压站作为辅助系统,分别进行变工况运转试验和长时稳态工况试验。结果表明:在变工况以及稳态工况运转条件下运转后动、静环端面均无明显磨损;在介质温度较为稳定的情况下,动环和轴套温度均能保持稳定;在整个试验过程中,机械密封均无泄漏发生,表明激光脸机械密封在喷油润滑工况下具备良好的热特性和密封效果。

接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态,其端面间隙与表面粗糙度处于同一数量级。为探究混合润滑状态下接触式机械密封的摩擦磨损特性,分析端面温度和摩擦扭矩等性能参数受工况参数的影响规律,结合平均雷诺方程以及ZMC接触模型,求解混合润滑端面间的接触特性,建立混合润滑磨损模型,研究接触式机械密封在润滑条件下,摩擦特性参数随操作参数的变化规律,开展了相应的试验研究,并对理论分析结果进行验证。研究结果表明:随介质压力增加,微凸体接触力占比增加,通过改变端面间接触状态来改变摩擦状态;随转速增加,端面间接触状态不变,但转速加大了端面间磨损距离与温度,进而导致磨损加剧;在压力影响试验中,密封环温度和密封腔温度随压力变化成正比,且每次压力变化都使得密封环温度产生阶跃变化。所得结论对机械密封因过热和磨损导...