多級串聯(lián)密封系統(tǒng)泄漏仿真與實(shí)驗(yàn)研究
建立了多級串聯(lián)密封系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,揭示了多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)正壓泄漏的漏率、漏量與泄漏時間關(guān)系的一般規(guī)律。給出了三級密封系統(tǒng)泄漏的仿真計(jì)算實(shí)例。通過三級串聯(lián)密封泄漏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多級串聯(lián)密封泄漏理論的正確性。該泄漏規(guī)律可用于多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢漏和泄漏安全評估。
密封技術(shù)在壓力容器、真空設(shè)備、液壓機(jī)械、輸送管線等工業(yè)應(yīng)用非常廣泛。但國防試驗(yàn)設(shè)備、武器裝備、航空航天、特種化工等領(lǐng)域?qū)γ芊饧夹g(shù)提出了更高的要求。因此,為提高密封系統(tǒng)的密封性和安全可靠性,許多密封系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)常常采用多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)。由于密封級之間寄生空間的存在,多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏過程和機(jī)理與單級密封結(jié)構(gòu)不同,其泄漏過程非常復(fù)雜,需要進(jìn)行深入的理論、試驗(yàn)與應(yīng)用方法的研究。
近年來,國內(nèi)外逐漸開始重視多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏過程的研究。美國NASA 的Lemon 等研究了在多道O 型圈密封情況下估算泄漏率的經(jīng)驗(yàn)方法。Rodriguez 等研究了雙密封結(jié)構(gòu)泄漏過程建模求解的近似方法。Levy 等研究了多密封結(jié)構(gòu)檢漏的經(jīng)驗(yàn)方法。沈公槐等討論了測定兩密封件串聯(lián)的氣路系統(tǒng)各密封件單密封漏率的問題。龍偉給出了描述雙密封泄漏的微分方程。
此前,筆者所在課題組研究了串聯(lián)雙密封結(jié)構(gòu)的建模與仿真問題,總結(jié)了雙密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律及其應(yīng)用方法。本文進(jìn)一步研究多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的建模與仿真,并完成了一系列驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。
1、系統(tǒng)建模方法
氣路系統(tǒng)由氣壓源、氣流源、氣阻、氣容等元件構(gòu)成,均有明確的元件定義、表示、特性和單位量綱,遵守相應(yīng)的元件特性約束和氣路拓?fù)浼s束。例如,流阻定義為具有阻礙氣體流通能力的氣路元件,用R 表示, R = P/ Q ,單位s/m3 。剛性漏孔的流阻是與泄漏管道(路徑) 的幾何形狀、尺寸、以及氣體種類和流動狀態(tài)等有關(guān)的量。流導(dǎo)等于流阻的倒數(shù),用C 表示, C = 1/R , 單位m3/s ,表示管道或漏孔對氣體的導(dǎo)通能力。
在氣路系統(tǒng)中,流阻串聯(lián)后的總流阻等于各段流阻之和,流阻并聯(lián)后的總流阻倒數(shù)等于各支路流阻倒數(shù)之和。
氣路拓?fù)浼s束是指氣路系統(tǒng)遵循支路氣壓守恒和節(jié)點(diǎn)氣流守恒。支路氣壓守恒是指氣路中的任一支路氣壓守恒,即氣壓之和為零。節(jié)點(diǎn)氣流守恒是指氣路中任一節(jié)點(diǎn)處的氣流守恒,即氣流之和為零。
6、泄漏規(guī)律
(1) 串聯(lián)級數(shù)與總漏率關(guān)系:類似于多電阻串聯(lián)的分壓電路的規(guī)律,在串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)中,由于每一道密封均承擔(dān)一部分氣壓降,串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)級聯(lián)的級數(shù)越多,平衡后的總漏率越小。即多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的多個串聯(lián)漏孔的總氣阻為單個氣阻之和,但總漏率上改善不太明顯。但級數(shù)增多,會明顯增加系統(tǒng)的平衡時間。例如,與單密封結(jié)構(gòu)相比,同等條件下3級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu), (若R1 = R2 = R3 ) 平衡后漏率減為原來的三分之一。
(2) 寄生氣容對泄漏過程的影響:從整個泄漏過程來看,串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)間的寄生容積的存在和大小對漏率沒有影響,不影響平衡后串聯(lián)結(jié)構(gòu)的整體漏率。寄生容積的存在和大小對整個密封系統(tǒng)的泄漏平衡時間影響很大,大的寄生容積可明顯增大平衡時間,減小平衡前的漏率和漏量。
(3) 單級密封漏率對泄漏過程的影響:多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)中單個密封件標(biāo)準(zhǔn)漏率Qnb大小對泄漏全過程影響很大,可在很大程度上影響整個泄漏過程的泄漏時間和漏率,而且對泄漏平衡時間影響也很大,小的漏率可明顯增大平衡時間。
(4) 不同漏率的密封件的先后順序?qū)π孤┻^程的影響:若多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)中的某兩密封件漏率不等,其前后位置對平衡后的漏率大小無影響,但對平衡時間有影響。若漏率小的密封件在外,則平衡時間較長;反之,則平衡時間較短。
(5)示漏氣體濃度對泄漏過程的影響:若在多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)中放入部分示漏氣體,若不引起密封壓力的改變,在不考慮氣體分子量對漏率影響的情況下,示漏氣體的濃度對泄漏過程沒有影響,即不影響總漏率的變化,也不影響總壓平衡和分壓力平衡時間。同樣,串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的真空和其它泄漏狀態(tài),可以使用相同的泄漏模型,只是初始條件下不同,但遵循相似的泄漏規(guī)律。
7、結(jié)束語
本文通過理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn),建立了多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,揭示了多級串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的正壓泄漏規(guī)律。串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律對于指導(dǎo)串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢漏和泄漏安全評估等具有重要意義。
