對非接觸式干式氣體端面密封(DGS)的研究進展進行了總結, 著重介紹了密封性能的理論分析與數值計算方法, 端面微槽的優化設計方法,試驗研究方法以及考慮端面微尺度效應和滑移流效應基礎研究等方面的研究現狀。指出在高參數條件下DGS端面的熱流固耦合與解耦分析, 低速或低壓條件下密封的啟動與停車性能的準確預測及結構優化是DGS技術未來研究的重點,也是進一步拓廣DGS應用領域、提高其工作可靠性的關鍵。

　　干式氣體動力潤滑機械密封(DGS)是在止推軸承技術的基礎上, 通過在密封面上開槽并以氣體作為潤滑劑的機械密封。開槽使密封面旋轉時產生了流體動力效應, 實現了密封面的非接觸, 同時端面間剪切流對抗壓差流達到零泄漏。DGS的研究與應用已有30余年, 目前已在石油、石化、化工和電力等部門得到越來越多的應用。隨著DGS應用于高參數場合或低速、低壓場合, 新的問題不斷出現, 因此對DGS提出了更高要求, 了解有關DGS的基礎知識、研究現狀和發展趨勢, 提出解決或部分解決上述類似問題的方法, 完善DGS的設計理論與設計方法和實驗研究方法, 具有重要的理論價值和實際意義。

1、DGS的結構和密封機制

　　除密封端面開有各種不同型槽外, DGS和普通機械密封一樣由靜環和動環組成。DGS的型槽形式多樣, 常見的有圓弧槽、螺旋槽、直線槽、T型槽、樅樹型槽等, 槽深一般為3～30μm。

圖1　S-DGS的端面結構示意圖

　　圖1所示為典型的螺旋槽DGS(S-DGS) 端面。當密封工作時, 氣體被吸入槽中, 其流動受密封壩節制, 于是氣體被壓縮引起壓力升高, 該壓力企圖使密封面分離, 并形成一定厚度的氣膜。當氣體壓力和彈簧力與開啟力平衡時, 形成穩定的氣膜并防止密封面相互接觸。氣膜厚度一般為幾個微米。

　　圖2所示為S-DGS的作用力圖。作用于浮動密封環上的閉合力為F_c , 其值等于系統壓力和彈簧力之和, 設開啟力為F_o, 其值等于氣膜承載能力的大小。當F_c = F_o 時, 密封處于穩定運轉狀態, 為理想的設計工況; 當DGS受到外來干擾氣膜厚度減小時, F_c保持不變, 而型槽產生的端面動力會明顯增大使F_c< F_o ,導致膜厚增大, 恢復到原值; 相反, 當外來干擾使膜厚增大時, 端面動力下降使F_c > F_o,密封面合攏恢復到原膜厚值。這樣, 動、靜環間始終保持一層穩定的氣膜, 在正常運轉條件下, 兩密封面始終保持非接觸, 密封面無磨損, 從而提高密封壽命, 使密封可以長期穩定運轉。

圖2　DGS的作用力圖

2、DGS的研究現狀

　　DGS的理論基礎來源于氣體潤滑理論和氣體止推軸承理論。對DGS的研究主要采用理論解析計算、數值模擬和實驗研究等3種手段, 目前數值模擬計算是最常用的手段。以Navier-Stokes方程為端面間氣膜壓力控制方程, 通過計算氣膜壓力、開啟力、氣膜剛度和泄漏量等密封參數, 對DGS進行優化設計并完善設計理論。

2.1、DGS性能的解析法研究

　　DGS的解析研究基礎是Whipple提出的窄槽理論(Narrow groove theory, NGT) , 該理論后來得到了Malanoski等和Muijderman的完善, 其中Muijder-man首次采用復變函數保角變換理論將螺旋槽模型轉化成平行直線槽模型, 并重點考慮槽端部的影響, 出了較完整的螺旋槽軸承理論。Cheng等運用NGT分析了S-DGS和瑞利臺階DGS中, 密封槽和密封壩的相對位置對密封性能的影響, 指出在低速情況下,密封壩在低壓側有利于減少泄漏, 在高壓側有利于提高氣膜剛度。Gardner最早將螺旋槽近似解析理論應用于螺旋槽端面機械密封的性能。Sneck等提出了一種基于窄密封面沿槽線建立雷諾方程的解析方法, 但由于該方法的不嚴謹和不方便, 未能獲得廣泛應用。Shapiro等在Muijderman方法的基礎上, 考慮慣性力的影響, 研究了高速液氧泵用螺旋槽機械密封的工作性能。

2.2、DGS密封性能的數值模擬法研究

　　由于氣膜壓力控制方程很難直接求解, 所以解析法需作大量假設簡化, 這給精確描述DGS的性能會帶來一定的誤差。隨著計算機技術的不斷發展和普及, 目前有限差分法(FDA)和有限元法(FEA)等數值分析方法已經在DGS的密封性能分析研究中得到廣泛應用。

　　James等應用FDA研究了氣體潤滑螺旋槽平面推力軸承的性能, 并采用坐標變換法解決了螺旋槽曲線邊界應用FDA所遇到的困難。Zuk等用FDA求解了模擬螺旋槽機械密封的直線平行槽模型的流場和壓力場。Murata等利用勢流理論, 建立了螺旋軸承的二維模型, 用數值分析方法計算了速度場和壓力場。Smalley基于NGT理論, 用FDA求解雷諾方程, 計算了平面、球面和圓錐面等型槽氣體軸承的承載能力、功率損耗、泄漏量和剛度系數。Lip schitz等用FDA計算了直線槽雙向旋轉氣體推力軸承的性能。Kowalski等采用FDA分析了S-DGS的反轉能力, 并通過坐標變換, 解決了螺旋槽的幾何結構與柱坐標軸不一致造成的困難。

　　Reddi等應用基于伽遼金加權余量法的遞增變分公式研究了氣體動力軸承在低速情況下的穩態性能, 首次針對可壓縮流體潤滑問題采用FEA進行了研究。Ettles等用九節點二次等參元FEA求解雷諾方程, 獲得了高的計算精度和較快的計算速度, 為DGS的數值分析計算提供了較好的算法。Satomi等采用FEA分析了低速氣體徑向止推軸承的結構參數優化問題。

　　Basu分別采用FDA和FEA研究了徑向槽DGS的壓力分布。Bonneau等采用基于伽遼金加權余量法的直接有限元公式對S-DGS進行了二維穩態分析,通過引入迎風格式, 消除了高速條件下計算結果的顫動問題。Tournerie 等將Bonneau等人的模型用于評價型槽的幾何參數對低速、不對中S-DGS的開啟力、泄漏量和回復力矩的影響。Hernandez等采用直接伽遼金有限元公式, 并結合對開槽面的特殊離散化程序, 確定了低速S-DGS的開啟力、泄漏量和靜力系數。Zirkelback等運用遞增的伽遼金有限元公式, 計算了中、低速S-DGS的頻率相關載荷系數。Ruan采用FEA分析了在低速、低壓條件下, 滑移流對S-DGS密封性能的影響。Faria分析了高速S-DGS的性能, 計算程序以伽遼金加權余量法為基礎, 同時引入了高階形函數而無需引入特殊積分模型和人工分解, 所以具有精度高和速度快的特點。