仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型

为改善单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题,提出一种仿鸟翼微列螺旋槽端面干气密封结构.基于气体润滑理论,建立仿鸟翼微列螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值分析周向开槽宽度和径向开槽宽度对轴向气膜刚度和泄漏率等密封特性参数的影响规律,给出仿鸟翼微列螺旋槽主要结构参数的优选值范围.在不同压力、线速度和膜厚条件下对比分析仿鸟翼微列螺旋槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的开启力、轴向气膜刚度、泄漏率和刚漏比等密封特性,给出不同工况条件下两种型槽干气密封的密封性能等值线图.结果表明:在高速低压条件下,相较于单向螺旋槽干气密封,仿鸟翼微列螺旋槽干气密封的密封性和稳定性都有显著提升,其轴向气膜刚度增幅达到30%,泄漏率降幅达到10%.仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能等值线图的提出可为其工程选型及优化设计提供指导和借鉴.     

干气密封螺旋槽衍生结构演变规律与工况适用性

研究了高压低速和高速低压两种典型工况条件下干气密封(DGS)螺旋槽的衍生结构演变规律与工况适用性.基于气体润滑理论,建立了槽堰组合螺旋槽DGS数学模型,采用有限差分法求解稳态雷诺方程.基于完全析因设计方法,数值计算了不同槽堰组合螺旋槽DGS的稳态密封性能随开槽面积比的变化规律,对比分析了槽堰组合螺旋槽DGS与螺旋槽DGS的密封性能最优值,并提出了不同工况条件下进一步提高螺旋槽DGS气膜刚度的结构改型方向.结果表明:通过基体螺旋槽与附加密封堰的组合设计有望显著提高螺旋槽DGS的气膜刚度,其中在高速低压条件下附加密封堰设在上游侧中间的双流通槽DGS的气膜刚度增幅达到20%;存在不同的最佳开槽面积比使得槽堰组合螺旋槽获得最大的开启力和气膜刚度.     

似叠罗汉槽干气密封的结构优选与性能研究

针对现有干气密封在高速条件下所存在的泄漏率大、气膜刚度不足等问题,在干气密封螺旋槽结构的基础上,基于叠加组合思想提出一种似叠罗汉槽端面密封结构.基于气体润滑理论,建立了似叠罗汉槽端面的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解二维稳态雷诺方程,获得了密封端面压力分布.以气膜刚度最大作为优化目标,对比分析了不同结构型式的优选叠加组合槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的密封性能参数,数值分析了周向槽宽比、径向槽宽比和槽深比等结构参数对似叠罗汉槽干气密封性能的影响规律,获得了似叠罗汉槽主要结构参数的优选值范围.结果表明:在高速低压条件下,相较于普通螺旋槽干气密封,似叠罗汉槽干气密封在泄漏率基本不变的同时能显著提升气膜刚度,综合密封性能显著提升,且转速越高,压力越小,这种性能优势越明显.     

经典曲线型槽干气密封稳动态密封特性数值分析

数值分析了斜直线、圆弧线、抛物线和超椭圆曲线等四种经典型线型槽干气密封(DGS)的稳动态特性及适用工况.考虑轴向微扰,建立了干气密封稳、动态特性的数值分析模型,采用有限差分法求解稳态和微扰雷诺方程.提出密封性能参数优化带以表征某型线型槽DGS的性能水平,分析不同型线型槽DGS密封性能优化带上边界随压缩数压力比和频率数的变化规律,给出不同工况条件下几种经典型线的最优形状系数优选值.结果表明:通过密封端面型槽型线的合理设计有望大幅提高对数螺旋槽DGS的稳态密封性能,超椭圆槽DGS在高压缩数压力比条件下的气膜刚度和刚漏比,以及在低频条件下的阻尼系数均较对数螺旋槽DGS大幅提升,适用于高速、低压工况,而斜直线槽DGS适用于高压、低速工况;型线形状系数对DGS的稳动态特性影响显著,其最优值与目标函数和工况条件紧密相关.     

惯性效应对超高速倾斜端面气膜密封稳动态特性影响

研究了惯性效应和端面倾斜对超高速气膜端面密封稳动态特性的影响. 考虑气体惯性效应，建立了气膜端面密封稳动态特性数值分析模型，采用有限差分法求解稳态和微扰雷诺方程，获得端面膜压分布. 数值分析了惯性效应和端面倾斜度对开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能参数以及刚度系数和阻尼系数等动态特性系数的影响规律，并以获得较大刚度系数为目标，获得了螺旋槽关键几何参数的优选值范围. 结果表明:在超高速条件下，考虑惯性效应后的干气密封泄漏率显著减小，刚漏比明显增大，而开启力、气膜刚度和动特性系数变化不大；倾斜端面气膜密封相较于平行端面气膜密封具有更佳的低频刚度和高频阻尼.      

中低速下干气密封型槽仿生改进研究

为解决干式气体端面密封在中低速或启动停车阶段密封性能不稳定的问题,在现有螺旋槽端面型槽结构的基础上借鉴仿生学设计方法提出了仿生多流通道螺旋槽干气密封端面结构.基于气体润滑理论模型,采用数值分析方法计算了气体端面气膜压力控制方程-雷诺方程,研究对比了普通螺旋槽和多流通道槽的端面压力分布.在改变操作参数和端面气膜厚度的条件下分析对比了普通螺旋槽和多流通道槽两种干气密封的开启力,泄漏率,刚度和刚漏比的变化规律,并研究了槽的通道数对密封性能的影响规律.结果表明:中低速下多流通道细长螺旋槽具有高的稳定性和好的密封性,汇流槽在增加密封稳定性的同时可降低泄漏率.     

基于鸟翼轮廓的干式气体密封仿生型槽设计

为解决目前干式气体密封存在的开启力与气膜轴向刚度不足,易出现磨损与失稳等问题,本文尝试将仿生学理念引入干式气体密封技术中,通过分析典型飞鸟的羽翼轮廓差异对其飞行状态与能力的影响,定义轮廓外形几何特征参数,运用几何重构法在现有干式气体密封的典型型槽即螺旋槽的基础上构建仿生型槽,提出新型仿生型槽干式气体密封密封.基于气体润滑理论,在建立仿生型槽干式气体密封的几何模型和端面气膜压力控制方程的基础上,采用有限差分法对仿生型槽干式气体密封进行数值模拟研究,分析了仿生型槽的主要几何结构参数对密封性能的影响规律.结果表明：相较于典型螺旋槽干式气体密封,通过合理设置仿生型槽干式气体密封的端面型槽的几何结构参数值,其开启力、气膜刚度等密封性能参数在一定范围内有所提升;干式气体密封的仿生设计具有重要的实际意义.     

基于微尺度造型的干气密封流动有序性数值分析

基于干气密封微尺度流动特性,提出一种有序微造型的干气密封模型,可在提升密封性能的同时为激光开槽提供新的借鉴和参考.选择螺旋槽和T型槽两种干气密封经典槽型为研究对象进行仿真分析,通过文献对比验证了计算方法的正确性,在有序微造型的基础上进行了有无微造型性能分析和对比,最后对微尺度下微造型的密封性能开展了系统研究.结果表明:同工况下,微造型结构的开启力较传统结构有明显提升,在高速高压及微尺度时的提升量愈加显著;T槽型的对称性使得其微造型结构兼具一定的减漏效果,且随膜厚增大减漏效果越明显;微造型深度、数量和面积对密封性能影响较大,存在一个使开启力较大同时泄漏量较小的最优槽深(螺旋槽和T型槽分别为5.5和2.5μm)及微造型深度区间(螺旋槽和T型槽皆为0.9～1.2μm).具微造型结构良好的增压性能,有助于进一步提高干气密封的稳定性.     

仿生多叶翼型槽干式气体端面密封的性能研究

为有效解决干式气体端面密封(简称干气密封)在低速、低压等操作条件下端面开启困难、稳定性差以及在高速、高压等高操作参数工况下泄漏率较高的瓶颈问题,提高密封的可靠性及使用寿命,在现有干气密封型槽设计方法的基础上,根据鸟类仿生学原理,提出了仿生多叶翼型槽干气密封.基于气体润滑理论,建立了仿生多叶翼型槽干气密封及其几种衍生型式的端面几何结构模型和气膜压力控制非模型,采用有限差分法进行数值模拟,分析了仿生多叶翼型槽及其衍生型槽的特殊几何结构与几何参数对干气密封性能的影响规律.结果表明:相较于单向螺旋槽干气密封和普通单向仿生双叶翼型槽,仿生多叶翼型槽及其衍生型槽干气密封在端面开启能力及运行稳定性上都有明显提升,而且仿生多叶翼型槽的衍生型式干气密封其泄漏率保持不变甚至更低.文中提出了仿生多叶翼型槽干气密封的合适衍生型式,给出了相应型槽主要几何参数的优化取值范围.该研究进一步验证了干气密封仿生型槽的设计理念,为极端工况下于气密封的端面型槽设计提供了仿生学依据,拓宽了干气密封及其他润滑部件表面设计的研究思路.     

带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封的静压性能

针对现场使用的带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封,建立了用于预测其端面气膜压力的等温可压缩流二维雷诺方程,在只考虑静压效应的条件下应用有限元法计算了端面开启力、泄漏率、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数,并与典型螺旋槽干式气体端面密封（S-DGS）进行了比较.结果表明：与S-DGS相比,前者具有更好的稳定性、润滑性能和开启特性.以获得最大刚漏比为优化原则,综合考虑密封的稳定性、密封性和开启特性,获得了带内环槽S-DGS在静压作用下的端面规则微槽几何参数的优选值,研究结果对有关密封的设计与选用具有指导意义.     

液膜润滑机械端面密封流体动压沟槽侧壁效应研究

针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应,在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程,建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程,研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明:数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变,侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律,高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.      

离心惯性力效应对超临界二氧化碳干气密封流场与密封特性影响分析

为揭示离心惯性力效应对S-CO₂干气密封流场与密封特性的影响规律，以螺旋槽干气密封为研究对象，引用考虑离心惯性力效应的Reynolds方程，在考虑气膜真实气体效应、黏度随压力与温度双重变化的同时，基于N-S方程与能量守恒定律，建立了绝热状态下考虑离心惯性力效应作用的能量控制方程. 然后，采用有限差分法对压力控制方程与能量控制方程进行耦合求解，并对考虑离心惯性力效应与没有考虑离心惯性力效应下的压力分布、温度分布以及密封特性进行了分析讨论. 研究表明:离心惯性力效应具有削弱流场内压力与温度的作用；从避免凝结流动角度考虑，离心惯性力效应引起的温降将不利于S-CO₂干气密封；考虑离心惯性力效应作用时，气膜开启力在不同槽深与转速下存在最佳工况点，泄漏率随着转速的增加显著减小，而离心惯性力效应与膜厚之间没有强交互作用；考虑离心惯性力效应作用的气膜开启力、泄漏率、出口温度均比不考虑离心惯性力效应作用的小，且这种差异随着转速的增大而增加，而随着膜厚的变化没有改变. 这些结果为进一步研究S-CO₂干气密封奠定了一定的理论基础.      

基于湍流模型的高速螺旋槽机械密封稳态性能研究

针对高速工况下的液膜润滑螺旋槽端面机械密封，建立了其湍流润滑模型，采用有限单元法结合松弛迭代技术实现了润滑方程和液膜湍流模型的数值求解，对比分析了层流模型和湍流模型下不同螺旋槽几何参数和工况参数对密封性能的影响. 结果表明:液膜湍流效应显著提升了螺旋槽机械密封端面液膜的动力润滑效应，密封的开启力、泄漏率和刚度明显大于层流模型预测值. 在不同条件下，比较而言螺旋槽内产生更加明显的湍流效应，其内液膜流动行为远不同于层流模型. 以开启力为优化目标，湍流模型获得的优化螺旋槽几何参数在螺旋角、槽深明显不同于层流模型. 在高速和低黏度介质下，机械密封的湍流效应不可忽略.