基于CFD 數(shù)值仿真結(jié)合單因素試驗和正交試驗，研究螺旋角、槽深、槽數(shù)、槽寬比和槽長壩長比對螺旋槽干氣密封性能的影響。單因素試驗揭示開啟力和泄漏量隨各參數(shù)的變化規(guī)律，并為正交試驗因素水平合理選擇提供依據(jù)。由正交試驗得到分別以開啟力、氣膜剛度和剛漏比為目標函數(shù)的最優(yōu)端面結(jié)構(gòu)。由極差分析得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響的主次順序，槽長壩長比是影響開啟力和泄漏量的最主要因素，而氣膜剛度和剛漏比主要由槽深和螺旋角決定。

1、前言

　　干氣密封指依靠幾微米氣體薄膜潤滑的機械密封，實現(xiàn)“以氣封氣”，其突出優(yōu)點有: 密封端面非接觸、磨損小、壽命長、可靠性高。干氣密封已被用于壓縮機、泵、反應釜等大中型旋轉(zhuǎn)機械的軸端密封。

　　研究發(fā)現(xiàn)，動環(huán)端面結(jié)構(gòu)是影響干氣密封性能的主要因素。螺旋槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括: 螺旋角α、槽深H、槽數(shù)N、槽寬比ω 和槽長壩長比γ。端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對干氣密封性能影響的現(xiàn)行研究方法主要是單因素實驗法，即一次只改變一種結(jié)構(gòu)參數(shù)，其他參數(shù)保持不變。單因素實驗能很好地反映特定工況下干氣密封性能隨單個端面結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。在真空技術網(wǎng)(bjjyhsfdc.com)以往發(fā)布的文章中有利用單因素試驗分析了單個端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對干氣密封性能的影響規(guī)律。單因素試驗方法最大局限就是，要綜合考查各端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對干氣密封性能的影響，需進行大規(guī)模試驗，成本過高。但是，螺旋槽干氣密封性能是由端面結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合決定。因此，有必要設計正交試驗綜合考察端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響。

　　在工程設計或科學研究中，常需同時考慮3個及其以上的因素，若進行全面試驗，則試驗規(guī)模很大，難以實施。正交試驗法實施多因素試驗，是尋求最優(yōu)水平組合的一種高效試驗方法，其優(yōu)點在于: 數(shù)據(jù)點分布均勻; 所需試驗次數(shù)少，即可達試驗要求; 可對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行極差分析、方差分析、回歸分析等，引出有價值的科學規(guī)律。基于CFD 數(shù)值仿真方法，首先進行單因素仿真實驗，研究開啟力和泄漏量隨螺旋角α、槽深H、槽數(shù)N、槽寬比ω 和槽長壩長比γ 的變化規(guī)律，并為正交仿真試驗因素水平范圍合理設定提供依據(jù); 然后根據(jù)單因素仿真試驗結(jié)論設計正交仿真試驗，找到不同目標函數(shù)的最佳端面結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并對試驗結(jié)果作極差分析，確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響的主次順序。

2、螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)

　　2.1、螺旋槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　圖1 為螺旋槽干氣密封動環(huán)端面結(jié)構(gòu)示意，螺旋線滿足對數(shù)螺旋線方程，在柱坐標中表示為:

圖1 螺旋槽干氣密封動環(huán)端面結(jié)構(gòu)

6、結(jié)論

　　(1) 單因素實驗揭示開啟力和泄漏量分別隨螺旋角α、槽深H、槽數(shù)N、槽寬比ω 和槽長壩長比γ 的變化規(guī)律，該密封在下述結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)可得到較大開啟力和較小泄漏量: 槽深H = 7μm～ 9μm，槽數(shù)N = 12 ～ 16，螺旋角α = 12° ～ 18°，槽寬比ω = 0. 5 ～ 0. 6，槽長壩長比γ = 0. 55 ～ 0. 70;

　　(2) 由正交試驗可知: 開啟力、泄漏量、氣膜剛度和剛漏比最優(yōu)的端面結(jié)構(gòu)參數(shù)組合不同。因此，干氣密封設計時，應根據(jù)設計目標需要，選擇合適的端面結(jié)構(gòu)參數(shù)組合;

　　(3) 通過對正交試驗結(jié)果作極差分析，得到動環(huán)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響的主次順序。結(jié)果表明，槽長壩長比是影響開啟力和泄漏量的最主要因素，而氣膜剛度和剛漏比主要由槽深和螺旋角決定。