基于CFD 數(shù)值仿真結(jié)合單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，研究螺旋角、槽深、槽數(shù)、槽寬比和槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比對(duì)螺旋槽干氣密封性能的影響。單因素試驗(yàn)揭示開(kāi)啟力和泄漏量隨各參數(shù)的變化規(guī)律，并為正交試驗(yàn)因素水平合理選擇提供依據(jù)。由正交試驗(yàn)得到分別以開(kāi)啟力、氣膜剛度和剛漏比為目標(biāo)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(duì)密封性能影響的主次順序，槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比是影響開(kāi)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(rùn)滑的機(jī)械密封，實(shí)現(xiàn)“以氣封氣”，其突出優(yōu)點(diǎn)有: 密封端面非接觸、磨損小、壽命長(zhǎng)、可靠性高。干氣密封已被用于壓縮機(jī)、泵、反應(yīng)釜等大中型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸端密封。

　　研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)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(zhǎng)壩長(zhǎng)比γ。端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干氣密封性能影響的現(xiàn)行研究方法主要是單因素實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫胤从程囟ü�況下干氣密封性能隨單個(gè)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。在真空技術(shù)網(wǎng)(www.13house.cn)以往發(fā)布的文章中有利用單因素試驗(yàn)分析了單個(gè)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干氣密封性能的影響規(guī)律。單因素試驗(yàn)方法最大局限就是，要綜合考查各端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干氣密封性能的影響，需進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)，成本過(guò)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(shè)計(jì)正交試驗(yàn)綜合考察端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響。

　　在工程設(shè)計(jì)或科學(xué)研究中，常需同時(shí)考慮3個(gè)及其以上的因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)規(guī)模很大，難以實(shí)施。正交試驗(yàn)法實(shí)施多因素試驗(yàn)，是尋求最優(yōu)水平組合的一種高效試驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于: 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻; 所需試驗(yàn)次數(shù)少，即可達(dá)試驗(yàn)要求; 可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析、方差分析、回歸分析等，引出有價(jià)值的科學(xué)規(guī)律�；�于CFD 數(shù)值仿真方法，首先進(jìn)行單因素仿真實(shí)驗(yàn)，研究開(kāi)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(zhǎng)壩長(zhǎng)比γ 的變化規(guī)律，并為正交仿真試驗(yàn)因素水平范圍合理設(shè)定提供依據(jù); 然后根據(jù)單因素仿真試驗(yàn)結(jié)論設(shè)計(jì)正交仿真試驗(yàn)，找到不同目標(biāo)函數(shù)的最佳端面結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作極差分析，確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(dòng)環(huán)端面結(jié)構(gòu)示意，螺旋線滿足對(duì)數(shù)螺旋線方程，在柱坐標(biāo)中表示為:

圖1 螺旋槽干氣密封動(dòng)環(huán)端面結(jié)構(gòu)

6、結(jié)論

　　(1) 單因素實(shí)驗(yàn)揭示開(kāi)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(zhǎng)壩長(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)壩長(zhǎng)比γ = 0. 55 ～ 0. 70;

　　(2) 由正交試驗(yàn)可知: 開(kāi)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)需要，選擇合適的端面結(jié)構(gòu)參數(shù)組合;

　　(3) 通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果作極差分析，得到動(dòng)環(huán)端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能影響的主次順序。結(jié)果表明，槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比是影響開(kāi)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。