螺旋槽千气密封气膜振动测试与稳定性分析

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由于干气密封解决了机械密封不能干运转的难题，所以在高速透平机械的轴端密封中得到了广泛应用[1]。其密封技术主要体现在动压效应和稳定性方面，而气体端面密封的稳定性-直是国内外研究的热点和难点2≈]。由于气膜厚度为微米级，气膜的微小变化都可能导致动静密封环间干摩擦或泄漏量增大；因此，保证气膜系统动态稳定性是干气密封可靠运行的关键[4]。Etsion[5]对非接触式锥面机械密封的动态性能作了实验，采用 3个传感器来监测补偿静环的工作情况，对密封失效原因和稳定工作进行了解释。Keneta等L6 对上述分析进行测试，但测试的密封模型和现实运转的密封相差甚远。魏统胜等[7 用PL302双通道数据采集器及频谱分析仪测试了高速转子在升降速过程中对迷宫密封中气流激振效应的亚异步自激振动响应，得到了振动响应的三维频谱图。陈铭等[8 采用电涡流位移传感器、金属管浮子流量计、多功能智能转速仪和电阻应变式扭矩仪对气膜厚度、泄漏量、转速和扭矩等进行了测量。

钱恩等[g 介绍了-种基于虚拟仪器技术的气体端面密封试验台的测试系统，展示了虚拟仪器开发平台的主要功能和特点。笔者采用Labview软件以及相应的硬件，建立干气密封试验台，对其气膜振动进行测试与分析。

气膜振动位移测试技术1.1 干气密封测试系统气膜振动测试系统的原理流程图如图1所示。

首先，由传感器采集位移振动非电量信号；然后，转换成电信号，通过数据采集卡，经接口电路将传感器输出的数字信号传送到计算机；最后，用Labview软件进行数据处理。

前置器(1-5V1前置器(1-sV、前置器05V、前置器(1～5V)前置器(1-5V1前置器(1～5V)±15 V电源图1 气膜振动测试原理图计算机数据采集卡CN1接线板干气密封测试系统试验台如图2所示，传感器的接线图如图3所示，样机的动环图如图4所示。

- 国家自然科学基金资助项 目(50965010，51165020)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目(20096201110001)收稿日期 ：2012-10-12；修改稿收到日期：2012-12-3O--- - 气旺 ～气气- 鼢㈣- 器㈣ -第2期 丁雪兴 ，等：螺旋槽干气密封气膜振动测试与稳定性分析 233曼 趔馨莹 翌罂：J原I始ih波. i形L，图i，lLA . l J lI- L lJI山 l -l L 山 J 上山.n 止.L hⅥ r1Irr” 1 n 1甲 1Tr 。 1 ” 叩呈400- 6.O0馨。

O.182O.182O.182t/ms8O 2.85 2.9O 2.95 3.O0 3.05t5l6.2 16.3 16.4 16.5 l6.6 l6.7 16.8 16.9 17.0 l7.1莹 24o0垂 -23量-3。

量 O.164o.164蓝 o.164f/Hz(a)nl kr/minf，mst/sf/HzCo)n2kr/min图7 气膜振动波形图和频谱分析图O气膜平衡位移测试值 -0.5 m，所以气膜平衡位移 -2.5 m；同 样 方 法 可 得 ，z 0.2，0.5，1.5 kr/min时气 膜 平 衡 位 移 分 别 为 1.2，1.4，2.1 m。0.4 MPa下，不同转速的气膜平衡位移线性关系如图8(a)所示。

由图7(a)可知，当 -1 kr/min时，气膜振动位移为0.183 m；由图7(b)可知，当 ：2 kr/min时，气膜振动位移为0.164 m，同样方法测得 0.2，0.5，1.5 kr/min时的气膜振动位移分别为 0.209，0.191，0.172 ptm。0。4 MPa下，不同转速的气膜振动位移线性关系如图8(b)所示。

由图8(a)可知，在压力P0.4 MPa条件下，气膜平衡位移随着转速的上升而增大，这与转速升高动压效应增大的机理相吻合；由图8(b)可知，在压力 0.4 MPa条件下，气膜振动位移随着转速的升高而降低，即随着转速的升高，气膜振动的稳定性越好 。

2.2 相同转速、不同压力下的气膜振动分析图 9为转速 -2 kr/min、压力分别为 0.4，0.6 MPa时的气膜振动波形图和频谱分析图。气膜月/Ocr·mil- 、(a)气膜平衡位移线性关系图，l/Ocr·mil-。1气膜振动位移线性关系图图8 相同压力、不同转速下气膜平衡和振动位移的线性关系图吕i j四罂吕- 4.O0- 6.oo量O.164o.1640.164量 理f/I-Iz(a)pO.4MPa- 4.oo- 6.OO3.20 3.25 3-3O 335 3.40 3.45f/s0.147 50.147422.5 25.0 27.5 3O.0 32.5 35.0 37.5 4O.O 42.5 45.Of/HzCo)po.6MPa图9 气膜振动波形图和频谱分析图垦 、 毯 曼 、 毯 鞲趟莹 、 罂 虽 、234 振 动、测 试 与 诊 断 第 33卷波形图初始值分别为 -2 m和 ：-2.3 m。由图9(a)可知，72-2 kr/min，P0.4 MPa时，气膜平衡位移测试值 -0.5 m，所以测试的气膜平衡位移3-2.5 m；P-0.6 MPa时，气膜平衡位移测试值 0.27 m，所以测试的气膜平衡位移为 ：2.57 m；用 同样的方法可得压力 P-0.2，0.3，0.5 MPa时气膜 的平衡 位移分 别为 2.4，2.46，2.53 m。，z-2 kr/min时，不同压力下的气膜平衡位移的线性关系如图10(a)所示。

由图9(a)可知，当压力为0.4 MPa时气膜振动位移为0.164 m。由图9(b)可知，当压力为0.6 MPa时气膜振动位移为0.147 m。同样方法测得当压力为 0.2，0.3，0.5 MPa时的气膜振动位移分别为0.173，0.169，0.155 m。在 -2 kr/min下，不同压力的气膜振动位移线性关系如图10(b)所示。

g 2.55i 登2.50妪塞2-452.400.2 0-3 0.4 0.5 0.6p/ a(a)气膜平衡位移线性关系图0.1O.1O.10.1O.10.10.1P/M：Pa(b)气膜振动位移线性关系图图1O 相同转速、不同压力下的气膜平衡位移和振动位移线性关系图由图10(a)可知，在转速 -2 kr/min时，气膜平衡位移随着压力的上升而增大，这与压力升高气膜压力增大的机理相吻合；由图10(b)可知，气膜振动位移随着压力的升高而减小，即随着压力的升高，气膜振动的稳定性越好。

3 3种不同螺旋角对气膜振动位移的影响在P0.5 MPa， 3 kr/min条件下，当螺旋角- 73.9，74，74.1o时，气膜振动波形图和频谱分析图如图11所示。

由图12可知，在相同的工况下，当螺旋角 -74。时，气膜振动位移明显小于螺旋角 -73.9，74.1。时的气膜振动位移，说明气膜振动稳定性对螺旋角的变化很敏感；因此，选认适的螺旋角可增加气膜振动的稳定性。

402OO- 20- -40- 4.0O- 6.O0t/Ills2.15 2.2O 2.25 2.3O 235 2.40 2.45t/sHz(a)螺旋角 73.9。

] L图J .. .. lIJ . j.1. l I Jl d1 I L.JIh，J.1lJl山 1.JI h1..1 l.I. LI.L1 rr T lf 1 l r r1呈-运-4馨 -7曼。

罂 0t/mst，s40.0 42.5 45.0 47.5 50.O 52.5 55.O 57.5 6O.O 62.5f/Hz(b)螺旋角 74。

口 40兰 20藿-- 2曼-1·1200罂 -7.12t7ms2.70 2.75 2.8O 2.85 2.90 2.95t/s45 50 55 6OI Hz(c)螺旋角 74.1。

图l1 不同螺旋角下气膜振动波形图和频谱分析图呈 魈螺旋角角度/(。)图12 不同螺旋角对气膜振动位移的线性关系图莹 罂 g 罂 呈 、趔罂 曼 罂量1/饕 骧第2期 丁雪兴，等：螺旋槽干气密封气膜振动测试与稳定性分析 2354 结束语本研究中介质气体的压力变化范围为 0.2～0.6 MPa，转速变化范围为0.2～3 kr/min，测得气膜的平衡位移为 1.2～3 m，振动位移为 0.1～0.4肛m。说明在不同的工况下，气膜振动是变化的，且随着转速和压力的升高气膜平衡位移增大，气膜振动位移减小，所以干气密封可以在高速高压的环境下应用。另外，测得气膜振动的稳定性对螺旋角的变化很敏感，选认适的螺旋角可增加气膜振动的稳定性。