多級串聯(lián)密封系統泄漏仿真與實(shí)驗研究
建立了多級串聯(lián)密封系統的數學(xué)模型,通過(guò)理論分析和數值計算,揭示了多級串聯(lián)密封結構正壓泄漏的漏率、漏量與泄漏時(shí)間關(guān)系的一般規律。給出了三級密封系統泄漏的仿真計算實(shí)例。通過(guò)三級串聯(lián)密封泄漏實(shí)驗驗證了多級串聯(lián)密封泄漏理論的正確性。該泄漏規律可用于多級串聯(lián)密封結構系統的設計、檢漏和泄漏安全評估。
密封技術(shù)在壓力容器、真空設備、液壓機械、輸送管線(xiàn)等工業(yè)應用非常廣泛。但國防試驗設備、武器裝備、航空航天、特種化工等領(lǐng)域對密封技術(shù)提出了更高的要求。因此,為提高密封系統的密封性和安全可靠性,許多密封系統或結構常常采用多級串聯(lián)密封結構。由于密封級之間寄生空間的存在,多級串聯(lián)密封結構的泄漏過(guò)程和機理與單級密封結構不同,其泄漏過(guò)程非常復雜,需要進(jìn)行深入的理論、試驗與應用方法的研究。
近年來(lái),國內外逐漸開(kāi)始重視多級串聯(lián)密封結構的泄漏過(guò)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)驗方法。Rodriguez 等研究了雙密封結構泄漏過(guò)程建模求解的近似方法。Levy 等研究了多密封結構檢漏的經(jīng)驗方法。沈公槐等討論了測定兩密封件串聯(lián)的氣路系統各密封件單密封漏率的問(wèn)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)雙密封結構的建模與仿真問(wèn)題,總結了雙密封結構的泄漏規律及其應用方法。本文進(jìn)一步研究多級串聯(lián)密封結構的建模與仿真,并完成了一系列驗證性實(shí)驗。
1、系統建模方法
氣路系統由氣壓源、氣流源、氣阻、氣容等元件構成,均有明確的元件定義、表示、特性和單位量綱,遵守相應的元件特性約束和氣路拓撲約束。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(lèi)和流動(dòng)狀態(tài)等有關(guān)的量。流導等于流阻的倒數,用C 表示, C = 1/R , 單位m3/s ,表示管道或漏孔對氣體的導通能力。
在氣路系統中,流阻串聯(lián)后的總流阻等于各段流阻之和,流阻并聯(lián)后的總流阻倒數等于各支路流阻倒數之和。
氣路拓撲約束是指氣路系統遵循支路氣壓守恒和節點(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。節點(diǎn)氣流守恒是指氣路中任一節點(diǎn)處的氣流守恒,即氣流之和為零。
6、泄漏規律
(1) 串聯(lián)級數與總漏率關(guān)系:類(lèi)似于多電阻串聯(lián)的分壓電路的規律,在串聯(lián)密封結構中,由于每一道密封均承擔一部分氣壓降,串聯(lián)密封結構級聯(lián)的級數越多,平衡后的總漏率越小。即多級串聯(lián)結構的多個(gè)串聯(lián)漏孔的總氣阻為單個(gè)氣阻之和,但總漏率上改善不太明顯。但級數增多,會(huì )明顯增加系統的平衡時(shí)間。例如,與單密封結構相比,同等條件下3級串聯(lián)密封結構, (若R1 = R2 = R3 ) 平衡后漏率減為原來(lái)的三分之一。
(2) 寄生氣容對泄漏過(guò)程的影響:從整個(gè)泄漏過(guò)程來(lái)看,串聯(lián)密封結構間的寄生容積的存在和大小對漏率沒(méi)有影響,不影響平衡后串聯(lián)結構的整體漏率。寄生容積的存在和大小對整個(gè)密封系統的泄漏平衡時(shí)間影響很大,大的寄生容積可明顯增大平衡時(shí)間,減小平衡前的漏率和漏量。
(3) 單級密封漏率對泄漏過(guò)程的影響:多級串聯(lián)密封結構中單個(gè)密封件標準漏率Qnb大小對泄漏全過(guò)程影響很大,可在很大程度上影響整個(gè)泄漏過(guò)程的泄漏時(shí)間和漏率,而且對泄漏平衡時(shí)間影響也很大,小的漏率可明顯增大平衡時(shí)間。
(4) 不同漏率的密封件的先后順序對泄漏過(guò)程的影響:若多級串聯(lián)密封結構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(wú)影響,但對平衡時(shí)間有影響。若漏率小的密封件在外,則平衡時(shí)間較長(cháng);反之,則平衡時(shí)間較短。
(5)示漏氣體濃度對泄漏過(guò)程的影響:若在多級串聯(lián)密封結構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(guò)程沒(méi)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(shí)間。同樣,串聯(lián)密封結構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律。
7、結束語(yǔ)
本文通過(guò)理論分析、數值計算和實(shí)驗,建立了多級串聯(lián)密封結構的數學(xué)模型,揭示了多級串聯(lián)密封結構的正壓泄漏規律。串聯(lián)密封結構的泄漏規律對于指導串聯(lián)密封結構系統的設計、檢漏和泄漏安全評估等具有重要意義。
