建立了多級串聯密封系統的數學模型,通過理論分析和數值計算,揭示了多級串聯密封結構正壓泄漏的漏率、漏量與泄漏時間關系的一般規律。給出了三級密封系統泄漏的仿真計算實例。通過三級串聯密封泄漏實驗驗證了多級串聯密封泄漏理論的正確性。該泄漏規律可用于多級串聯密封結構系統的設計、檢漏和泄漏安全評估。

　　密封技術在壓力容器、真空設備、液壓機械、輸送管線等工業應用非常廣泛。但國防試驗設備、武器裝備、航空航天、特種化工等領域對密封技術提出了更高的要求。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密封結構。由于密封級之間寄生空間的存在,多級串聯密封結構的泄漏過程和機理與單級密封結構不同,其泄漏過程非常復雜,需要進行深入的理論、試驗與應用方法的研究。

　　近年來,國內外逐漸開始重視多級串聯密封結構的泄漏過程的研究。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驗方法。Rodriguez 等研究了雙密封結構泄漏過程建模求解的近似方法。Levy 等研究了多密封結構檢漏的經驗方法。沈公槐等討論了測定兩密封件串聯的氣路系統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雙密封結構的建模與仿真問題,總結了雙密封結構的泄漏規律及其應用方法。本文進一步研究多級串聯密封結構的建模與仿真,并完成了一系列驗證性實驗。

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、以及氣體種類和流動狀態等有關的量。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,流阻串聯后的總流阻等于各段流阻之和,流阻并聯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。節點氣流守恒是指氣路中任一節點處的氣流守恒,即氣流之和為零。

6、泄漏規律

　　(1) 串聯級數與總漏率關系:類似于多電阻串聯的分壓電路的規律,在串聯密封結構中,由于每一道密封均承擔一部分氣壓降,串聯密封結構級聯的級數越多,平衡后的總漏率越小。即多級串聯結構的多個串聯漏孔的總氣阻為單個氣阻之和,但總漏率上改善不太明顯。但級數增多,會明顯增加系統的平衡時間。例如,與單密封結構相比,同等條件下3級串聯密封結構, (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,串聯密封結構間的寄生容積的存在和大小對漏率沒有影響,不影響平衡后串聯結構的整體漏率。寄生容積的存在和大小對整個密封系統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:多級串聯密封結構中單個密封件標準漏率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對泄漏過程的影響:若多級串聯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,串聯密封結構的真空和其它泄漏狀態,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

　　本文通過理論分析、數值計算和實驗,建立了多級串聯密封結構的數學模型,揭示了多級串聯密封結構的正壓泄漏規律。串聯密封結構的泄漏規律對于指導串聯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。