以串聯(lián)雙密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立了串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,揭示了串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正壓泄漏的漏率、漏量與泄漏時(shí)間關(guān)系的規(guī)律及其影響因素。串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律可用于串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢漏和泄漏安全評(píng)估。

　　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)常常采用多道密封結(jié)構(gòu)串聯(lián)形式。串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的氣體介質(zhì)泄漏過程與單密封結(jié)構(gòu)不同。以雙密封結(jié)構(gòu)泄漏過程為例,泄漏介質(zhì)首先經(jīng)第一道密封進(jìn)入兩道密封之間的寄生容積,然后再經(jīng)第二道密封進(jìn)入外界環(huán)境(工作狀態(tài)) 或氦質(zhì)譜儀(檢漏狀態(tài)) 。由于兩道密封結(jié)構(gòu)之間存在一定體積(氣容) ,使得二者的泄漏特性不同。本文主要研究串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏過程,建立串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,總結(jié)串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律。

1、氣路模型及元件特性

　　與電路系統(tǒng)類似,氣路系統(tǒng)由氣路元件構(gòu)成,包括氣壓源、氣流源、氣阻、氣容等。二者有類似的模型,遵循相似的規(guī)律,如表1 所示。

表1 　氣路模型

　　(1) 氣量:一定溫度下,氣體的壓強(qiáng)P 與體積V的乘積表示氣體量,用G 表示。

　　(2) 氣流:單位時(shí)間內(nèi)流過管道截面的氣量, 用Q 表示, Q = d G/ dt 。

　　(3) 氣容:指密封空間的容積, 表示對(duì)氣體的容納能力,用V 表示, V = G/ P ,單位為m³ 。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程,氣容的G/ P 特性是線性關(guān)系。

　　(4) 流阻與流導(dǎo):管道兩端的壓強(qiáng)差與通過的氣流的比值為流阻, 用R 表示, R = P/ Q , 單位s/ m³ 。

　　剛性漏孔的R 是與管道的幾何形狀和尺寸以及氣體種類和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的量,其壓強(qiáng)/ 氣流特性關(guān)系為線性或非線性。與電學(xué)中的電阻與電導(dǎo)的關(guān)系一樣,流導(dǎo)等于流阻的倒數(shù)用C 表示, C = 1/ R = Q/P ,單位為m³/ s ,流導(dǎo)的物理意義表示管道對(duì)氣體的導(dǎo)通能力。各種管道在不同的氣體流動(dòng)狀態(tài)下的流導(dǎo)(或流阻) 均有相應(yīng)的計(jì)算公式^[1] 。

　　真空領(lǐng)域中把氣體在漏孔中流動(dòng)界定為四種情況:分子流狀態(tài)、粘滯流狀態(tài)、湍流狀態(tài)、聲速流狀態(tài)。并認(rèn)為在分子流狀態(tài)下漏率Q 與壓差ΔP 成正比,與分子量的平方根成反比;粘滯流狀態(tài)下漏率與壓力的平方差成正比。這種氣流狀態(tài)的劃分又取決于漏孔的直徑、長(zhǎng)度和氣體分子的平均自由程,而分子的平均自由程又是氣體溫度、氣體粘度、氣體壓強(qiáng)的函數(shù)。文獻(xiàn)^[2]指出,漏率小于1 ×10 ^{- 7} Pa·m3/s 時(shí)屬于分子流狀態(tài)。

　　密封系統(tǒng)密封件的漏孔可視為氣阻元件( 管道) 。漏孔的流量稱為漏率。密封空間實(shí)際上是有零輸入的氣容,當(dāng)氣容的容積非常大或(和) 其漏孔的流阻非常大時(shí),該密封空間也可簡(jiǎn)化為理想的氣壓源。外界大氣環(huán)境等效于壓強(qiáng)為P0 (1.01 ×10⁵Pa) 的理想氣壓源。

　　利用氣路模型及相關(guān)約束理論, 可以方便地建模和求解密封系統(tǒng)氣體泄漏問題。

6、結(jié)束語

　　本文通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,建立了串聯(lián)雙密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,揭示了雙密封結(jié)構(gòu)正壓泄漏規(guī)律。真空(負(fù)壓) 泄漏過程與此類似。在具體的工程應(yīng)用中,還要適當(dāng)考慮泄漏氣體平均分子量和泄漏氣流狀態(tài)對(duì)泄漏規(guī)律的影響。

　　本文拋磚引玉,串聯(lián)多密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律亦可按照本文的方法進(jìn)行建模和求解后得到。串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律對(duì)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(píng)估具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

1 　A. 羅絲. 真空技術(shù)翻譯組譯. 真空技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社,1980
2 　查良鎮(zhèn). 鉑絲玻璃型漏孔氣流的研究. 全國(guó)測(cè)試基地年會(huì)報(bào)告集———真空測(cè)量,北京,1963
3 　沈公槐,彭衷鴻. 串聯(lián)密封系統(tǒng)泄漏率的測(cè)定. 控制工程,1998 , (2) :1 - 5