横纵有序微纹理设计的干气密封T型槽微纹理变量分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.03.010

摘要/Abstract

摘要：

为探究有序微纹理设计对干气密封T型槽动压效果的影响，基于气膜润滑原理，采用有限差分法，研究了微纹理排列间距、微纹理长度、T型槽基底长宽增幅、微纹理梯度倾斜角度等有序微纹理变量对密封参数的影响，并对四种微纹理的设计变量进行了对比。结果表明，T型槽的微纹理变量与T型槽的结构参数一样能改变槽的动压效应，但不改变干气密封槽型的动力学规律；微纹理变量对干气密封T型槽开启力的影响按微纹理梯度倾斜角度＞微纹理排列间距＞微纹理长宽＞T型槽基底长宽增幅的顺序减小；对泄漏量的影响按微纹理长宽＞微纹理排列间距＞T型槽基底长宽增幅＞微纹理梯度倾斜角度的顺序减小。研究结果对双向旋转式端面气膜密封的优化和设计具有一定的借鉴作用。

关键词: 干气密封, 双向旋转式T型槽, 有限差分法, 有序微纹理设计, 密封性能

Abstract:

To investigate the influence of ordered micro texture design on the dynamic pressure effect of dry gas seal T‐groove, based on the principle of gas film lubrication, finite difference method was used to study the effects of ordered micro texture variables such as micro texture arrangement spacing, micro texture length, T‐shaped groove base length and width, and micro texture gradient inclination angle on sealing parameters. The design variables of four types of micro textures were compared. The results show that the micro texture of the T‐shaped groove can change the dynamic pressure effect of the groove itself, just like the structural parameters of the T‐shaped groove, but it does not change the dynamic law of the dry gas seal groove itself. The influence of microtexture variables on the opening force of T-shaped grooves in dry gas seals: microtexture gradient inclination angle>microtexture arrangement spacing>microtexture length and width>T-shaped groove base length and width amplification; The impact on leakage rate: microtexture length and width>microtexture arrangement spacing>T-shaped groove base length and width amplification>microtexture gradient inclination angle. The research results have certain reference value for the optimization and design of bi‐directional rotating end face gas film seals.

Key words: Dry gas seal, Bidirectional rotating T-shaped groove, Finite difference method, Ordered micro texture design, Sealing performance

中图分类号:

TX136

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图/表 15

图1 干气密封T型槽及密封环结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of T-shaped groove and sealing ring structure for dry gas sealing

图2 干气密封T型槽的三维结构图

Fig.2 Three dimensional structural diagram of dry gas sealed T-groove

图3 本文的计算流程图

Fig.3 The calculation process of this article

图4 直角坐标系下的节点、控制体及所设网格

Fig.4 Nodes, control bodies, and grid settings in cartesian coordinates

表1 网格数对开启力、泄漏量的影响以及计算所用时间

Table 1 The influence of grid number on opening force, leakage rate, and calculation time

网格数	开启力/N	泄漏量/（kg·s^－1）	计算所用时间/s	网格数	开启力/N	泄漏量/（kg·s^－1）	计算所用时间/s
30×30	5 926.7	0.021 00	17	80×80	5 934.3	0.019 68	333
40×40	5 930.0	0.020 55	46	90×90	5 935.0	0.019 65	375
50×50	5 931.0	0.020 15	164	100×100	5 935.8	0.019 60	425
60×60	5 932.5	0.019 95	212	110×110	5 936.1	0.019 51	475
70×70	5 933.3	0.019 86	245	120×120	5 936.3	0.019 49	1 680

图5 不同气膜厚度下无微纹理干气密封T型槽开启力的计算值比较结果

Fig.5 Comparison of calculated opening force values for dry gas sealed T-shaped grooves without micro textures under different gas film thicknesses

图6 开设/未开设微纹理的单周期T型槽的气膜厚度及气膜压力分布图

Fig.6 Gas film thickness and pressure distribution map of single cycle T-shaped grooves with or without micro textures

图7 微纹理排列间距不同的气膜示意图

Fig.7 Schematic diagram of air film with different spacing of micro texture arrangement

表2 开启力、泄漏量随微纹理排列间距的变化

Table 2 The variation of opening force and leakage rate with the spacing of micro texture arrangement

微纹理排列间距	开启力/N	泄漏量×10⁶/（kg·s^－1）
0.1	9 622.4	1.51
0.2	9 711.8	1.59
0.3	9 753.1	1.64
0.4	9 776.0	1.66
0.5	9 801.0	1.69

图8 微纹理长宽不同的气膜示意图

Fig.8 Schematic diagram of air film with different length and width of microtextures

表3 开启力、泄漏量随微纹理长宽的变化

Table 3 The variation of opening force and leakage rate with the length and width of microtextures

长度×宽度	开启力/N	泄漏量×10⁶/（kg·s^－1）
0.8×0.8	9 622.4	1.51
0.6×0.6	9 505.3	1.44
0.5×0.5	9 416.6	1.38
0.4×0.4	9 356.3	1.33
0.2×0.2	9 317.8	1.28

图9 T型槽基底长宽增幅不同的气膜对比示意图

Fig.9 Schematic diagram of gas film comparison with different length and width amplitudes of T-shaped groove substrate

表4 开启力、泄漏量随T型槽基底长宽增幅的变化

Table 4 The variation of opening force and leakage rate with the increase in the length and width of the T-groove base

T型槽基底长宽增幅	开启力/N	泄漏量×10⁶/（kg·s^－1）
1+1	9 772.5	1.62
3+3	9 763.9	1.71
6+6	9 712.3	1.83
9+9	9 625.4	1.96
12+12	9 508.0	2.06

图10 微纹理梯度倾斜角度不同的气膜示意图

Fig.10 Schematic diagram of gas film with different inclination angles of ordered microtexture gradients

表5 开启力、泄漏量随微纹理梯度倾斜角度的变化

Table 5 The variation of opening force and leakage rate with the inclination angle of micro texture gradient

倾斜角度/（°）	开启力/N		泄漏量×10⁶/（kg·s^－1）
倾斜角度/（°）	Type1	Type2	Type1	Type2
15	10 112.0	10 023.0	2.56	2.73
20	10 243.2	10 127.0	2.64	2.82
25	10 379.3	10 263.0	2.71	2.91
30	10 480.6	10 412.5	2.78	3.00
35	10 610.6	10 490.0	2.86	3.09

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