图书目录

Contents 

CHAPTER 1 Properties of gases.......................................................1 

1.1  Gas equations .................................................................................1 

1.1.1  Ideal gas equations.............................................................. 2 

1.1.2  Gas index equation.............................................................. 3 

1.1.3  Actual gas equation............................................................. 5 

1.1.4  Degree of gas molecular freedom ...................................... 5 

1.1.5  Specific heat capacity ......................................................... 7 

1.2  Viscosity .........................................................................................7 

1.3  Property of wet gas ......................................................................11  1.3.1 Pressure ............................................................................. 12  1.3.2 Humidity............................................................................ 13  1.3.3 Dew point temperature...................................................... 14  References.................................................................................... 14 

CHAPTER 2 Gas lubrication equations........................................... 15 

2.1  Reynolds equation ........................................................................15 

2.1.1  Derivation of Reynolds equation...................................... 16 

2.1.2  Reynolds equation in the polar coordinate system .......... 19 

2.1.3  Reynolds equation in the cylindrical coordinate system................................................................................ 19 

2.1.4  Lubrication parameters ..................................................... 20 

2.2  Energy equation............................................................................22 

2.2.1  Chang of gas inner energy................................................ 23 

2.2.2  External work on gas and energy loss.............................. 24 

2.3  Solid heat conduction equation and the interface equation ........26 

2.4  Numerical analysis method..........................................................27 

2.4.1  Finite difference method................................................... 27 

2.4.2  Flow conservation............................................................. 28 

2.4.3 Friction force balance ....................................................... 34  References.................................................................................... 35 

CHAPTER 3 Isothermal gas lubrication ......................................... 37 

3.1  Sliders ...........................................................................................37 

3.1.1  Lubrication equation ......................................................... 38 

3.1.2  Pressure boundary condition............................................. 40 

3.1.3  Lubrication performance parameters................................ 40 

VI Contents 

3.2 

3.3 

CHAPTER 4 

4.1 

4.2 

4.3 

4.4 

3.1.4  Hydrodynamic lubrication characteristics of sliders........ 41 

3.1.5  Hydrodynamic lubrication characteristics of divergent sliders ................................................................................ 43 

3.1.6  Lubrication characteristics of the magnetic head slider ......................................................................... 45 Journal bearing and radial seal ....................................................51 

3.2.1 Lubrication equations........................................................ 52  3.2.2 Boundary conditions ......................................................... 52  3.2.3 Lubrication parameters ..................................................... 53  3.2.4 Lubrication characteristics................................................ 55  Spiral groove thrust bearing.........................................................56  3.3.1 Gas lubrication equations.................................................. 59  3.3.2 Pressure boundary conditions ........................................... 60  3.3.3 Lubrication parameters ..................................................... 60  3.3.4 Lubrication characteristics................................................ 61  3.3.5 Spiral groove face seal...................................................... 64  3.3.6 Lubrication equations........................................................ 65 

3.3.7  Pressure boundary conditions ........................................... 65 

3.3.8  Seal performance parameters............................................ 66 

3.3.9 Lubrication regularity ....................................................... 66  References.................................................................................... 71 

Gas thermohydrodynamic lubrication of rigid surfaces....................................................................... 73 Sliders ...........................................................................................73 

4.1.1  Gas lubrication equations.................................................. 73 

4.1.2  Boundary conditions ......................................................... 75 

4.1.3 Thermal lubrication characteristics .................................. 75  Journal bearing and radial seal ....................................................79 

4.2.1  Lubrication equations........................................................ 79 

4.2.2  Thermal boundary condition............................................. 80 

4.2.3 Lubrication property ......................................................... 80  Spiral groove thrust bearing.........................................................83 

4.3.1  Lubrication equations........................................................ 83 

4.3.2  Boundary conditions ......................................................... 85 

4.3.3 Lubrication property ......................................................... 86  Spiral groove face seal.................................................................86 

4.4.1  Temperature characteristics of gas film ........................... 91 

4.4.2 Lubrication property ......................................................... 94  References.................................................................................... 99 

Contents VII 

CHAPTER 5  Gas thermoelastohydrodynamic lubrication of face seals ............................................................. 101 

5.1  Fundamental equations...............................................................101 

5.1.1  Lubrication equations...................................................... 101 

5.1.2  Boundary conditions ....................................................... 104 

5.2  Choked fluid effect.....................................................................107 

5.2.1  Model validation ............................................................. 107 

5.2.2  Pressure distribution characteristics ............................... 109 

5.3  Characteristics of thermoelastic distortions of seal faces............................................................................................109 

5.4  Characteristics of gas thermoelastohydrodynamic lubrication...................................................................................111 

5.4.1  Mechanical distortions .................................................... 111 

5.4.2  Thermal distortions ......................................................... 115 

5.4.3 Thermoelastic distortions................................................ 117  References.................................................................................. 120 

CHAPTER 6  Transient thermoelastohydrodynamic gas lubrication of face seals .......................................... 121 

6.1  Fundamental equations...............................................................121 

6.1.1  Dynamic equations.......................................................... 122 

6.1.2  Lubrication equations...................................................... 122 

6.1.3  Boundary conditions ....................................................... 123 

6.1.4  Dynamic characteristic parameter .................................. 123 

6.2  Dynamic characteristics of isothermal gas lubrication .............124 

6.2.1  Axial stiffness and damping ........................................... 124 

6.2.2  Angular stiffness and damping ....................................... 126 

6.2.3  Amplitude-frequency characteristics of gas film ........... 129 

6.3  Dynamic characteristics of thermal gas lubrication of rigid surfaces .......................................................................................130 

6.3.1  Axial stiffness and damping ........................................... 131 

6.3.2  Angular stiffness and damping ....................................... 134 

6.3.3  Amplitude-frequency characteristics of gas film ........... 137 

6.4  Dynamic characteristics of gas thermoelastohydrodynamic lubrication...................................................................................137 

6.4.1  Axial stiffness and damping ........................................... 137 

6.4.2  Angular stiffness and damping of gas film .................... 139 

6.4.3  Amplitude-frequency characteristics of gas film............................................................................ 140 References.................................................................................. 141 

VIII Contents 

CHAPTER 7  Vapor-condensed gas lubrication of face seals .......................................................................... 143 

7.1  Fundamental equations...............................................................143 

7.1.1  Wet gas equations ........................................................... 143 

7.1.2  Vapor-condensed parameter ........................................... 145 

7.2  Characteristics of vapor condensation in gas lubrication film .............................................................................................145 

7.3  Laws of vapor condensation in gas lubrication film.................146 

7.3.1  Humidity.......................................................................... 146 

7.3.2  Seal clearance.................................................................. 147 

7.3.3  Seal pressure ................................................................... 148 

7.3.4  Rotational speed.............................................................. 148 

7.4  Movement of liquid drops on gas lubrication surfaces.............150 

7.4.1  Surface wetting model .................................................... 150 

7.4.2  Surface-texture geometry parameters and wettability........................................................................ 152 

7.4.3 Droplet motion ................................................................ 158  7.4.4 Drop adsorption on seal surface ..................................... 164  References.................................................................................. 164 

CHAPTER 8  Cryogenic gas lubrication of face seals.................. 167 

8.1  Fundamental equations...............................................................167 

8.1.1  Lubrication equations...................................................... 168 

8.1.2  Boundary conditions ....................................................... 171 

8.2  Phase change in gas lubrication film.........................................172 

8.3  Characteristics of thermoelastic distortions of seal faces .........173 

8.4  Characteristics of cryogenic gas lubrication..............................173 

8.4.1  Ambient temperature ...................................................... 174 

8.4.2 Rotation speed................................................................. 174  References.................................................................................. 177 

CHAPTER 9  Surface grooves of gas face seals and testing technology................................................................. 179 

9.1  Surface grooves of gas face seals ..............................................179 

9.2  Testing technology of gas face seals .........................................185 

9.2.1  Experimental setup.......................................................... 185 

9.2.2  Face groove machining................................................... 185 

9.2.3  Face morphology test...................................................... 187 

9.3  Experimental characteristics of gas face seals ..........................188 

9.3.1  Seal opening characteristic ............................................. 188 

9.3.2  Hydrodynamic characteristics......................................... 190 

Contents IX 

9.3.3 Surface wear.................................................................... 192  References.................................................................................. 195 

CHAPTER 10 Design of gas face seals .......................................... 197 

10.1 Force analysis of gas seals.........................................................197 

10.1.1 Opening force................................................................ 198 

10.1.2 Closing force................................................................. 198 

10.1.3 O-ring friction force...................................................... 199 

10.2 Geometric parameters of gas face seals ....................................199 

10.2.1 Seal clearance................................................................ 199 

10.2.2 Seal face width.............................................................. 199 

10.2.3 Balance diameter........................................................... 200 

10.2.4 Seal face and shaft (shaft sleeve) clearance................. 200 

10.3 Performance parameters of gas face seals.................................201 

10.3.1 Leakage rate .................................................................. 201 

10.3.2 Gas film stiffness .......................................................... 201 

10.4 Materials of the seal couple .......................................................202 

10.5 Dimension design of seal rings..................................................202 

10.5.1 Design of rotor dimension ............................................ 202 

10.5.2 Design of stator dimension ........................................... 203 

10.5.3 Design of the face groove............................................. 204 

10.6 Design of the secondary seal .....................................................205 

10.7 Process of seal design and illustration.......................................205 

10.7.1 Process of seal design ................................................... 205 

10.7.2 Design conditions.......................................................... 206 

10.7.3 Design steps .................................................................. 206  References.................................................................................. 218 

Index ......................................................................................................................219