基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真

doi:CNKI:11-1929/V.20111107.1021.003

材料工程与机械制造

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基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真

张国渊¹, 赵伟刚², 闫秀天³, 陈国定¹, 陈垚¹

1. 西北工业大学机电学院, 陕西西安 710072;
2. 中国航天科技集团公司西安航天动力研究所, 陕西西安 710100;
3. 英国思克莱德大学设计制造及工程管理系, 英国格拉斯哥 G11XJ

收稿日期:2011-05-26 修回日期:2011-07-14 出版日期:2012-02-25 发布日期:2012-02-24
通讯作者: 张国渊 E-mail:gyzhang@nwpu.edu.cn
作者简介:张国渊男,博士后.主要研究方向:轴承密封技术、旋转机械动力学、生物制造. Tel: 029-88495967 E-mail: gyzhang@nwpu.edu.cn
赵伟刚男,硕士,高级工程师.主要研究方向:流体密封技术、涡轮泵系统设计. E-mail: zgydyx@126.com
闫秀天男,博士,英国Strathclyde大学Reader,西北工业大学兼职教授,博士生导师.主要研究方向:机电一体化、智能控制技术、生物制造. Tel: +44-141-5482852 E-mail: x.yan@strath.ac.uk
陈国定男,博士,教授,博士生导师.主要研究方向:润滑与密封技术、机电系统热分析和现代设计方法. Tel: 029-88493929 E-mail: gdchen@ nwpu.edu.cn
基金资助:
中国博士后科学基金(20100481367);航天科技创新基金(CASC201103)

Principle and Simulation for Real-time Monitoring of the Non-contact Face Seal Based on POD Model

ZHANG Guoyuan¹, ZHAO Weigang², YAN Xiutian³, CHEN Guoding¹, CHEN Yao¹

1. School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
2. Xi'an Aerospace Propulsion Institute, China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi'an 710100, China;
3. Department of Design, Manufacture and Engineering Management, University of Strathclyde, Glasgow G11XJ, UK

Received:2011-05-26 Revised:2011-07-14 Online:2012-02-25 Published:2012-02-24

摘要/Abstract

摘要： 端面密封动态性能模型的多维求解复杂性限制了对密封的实时动态监测,为此建立了基于本征正交分解(POD)方法的密封性能求解降阶模型,以获取实时的密封性能特征参数,包括非接触密封微小间隙产生的液膜轴向力及沿着不同方向的液膜力矩.基于降解模型提出了非接触端面密封动态监测的原理,并分析了不同液膜振动频率下的降阶模型的计算误差,完成了对一组不同密封间隙及液膜振动频率下的水润滑端面液膜轴向力及力矩的数值仿真.研究结果表明提出的基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测能达到较高的分析精度,这对于非接触端面密封的动态控制及研究瞬态启动过程中的密封动静特性具有重要的作用.

关键词: 非接触端面密封, 动态监测, 本征正交分解方法, 液膜力, 振动

Abstract: To solve the complex multi-dimensional problem arising in the process of obtaining the real-time performance of a non-contact face seal, a reduced order model based on proper orthogonal decomposition (POD) is proposed. With the model, the dynamic seal performance parameters are computed, including the liquid film force generated by the sealing micro-gap and different directional moments induced by the liquid film. With the POD reduced order model, the principle for the real-time monitoring of the non-contact face seal performance is presented, and the calculation error for different vibration frequencies of axial positions are analyzed. With the principle, a numerical simulation of a water-lubricated non-contacting face seal with different seal gaps and liquid vibration frequencies is implemented, and the liquid film force, torque and their calculation errors are obtained. The results show the high accuracy of the non-contact seal dynamic monitor based on the proposed POD reduced-order model, which will help to promote the level in researching the dynamic control of non-contacting face seals and the static and dynamic performances of seals during the transient start-up stage.

Key words: non-contacting face seal, real-time monitoring, proper orthogonal decomposition method, liquid film force, vibration

中图分类号:

TH117

张国渊, 赵伟刚, 闫秀天, 陈国定, 陈垚. 基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真[J]. 航空学报, 2012, 33(2): 354-361.

ZHANG Guoyuan, ZHAO Weigang, YAN Xiutian, CHEN Guoding, CHEN Yao. Principle and Simulation for Real-time Monitoring of the Non-contact Face Seal Based on POD Model[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2012, 33(2): 354-361.

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