基于二阶滑移边界的螺旋槽干气密封泄漏量计算与分析

为解决螺旋槽干气密封流场计算中一阶线性滑移边界条件下得到的泄漏量与实验结果之间存在较大误差的问题,在一阶线性滑移边界条件的基础上,推导出二阶非线性滑移边界条件下的修正的广义雷诺方程,应用迭代法、PH 线性化方法等求解非线性雷诺方程,获得了气膜压力、流速、泄漏量的近似解.利用Maple程序计算了工程实例中不同转速和不同压力情况下的泄漏量,并与一阶线性滑移边界条件下的泄漏量和实验数值进行比较.结果表明:在工程实例中,压力相同时,泄漏量随转速的增大而增大,一、二阶最大相对误差分别为14.4%、5.4%;转速相同时,泄漏量随压力的增大而增大,一、二阶最大相对误差分别为33.3%、13.3%.本文未考虑干气密封内部的振动情况,因此一、二阶理论计算值小于实际测试值.二阶非线性滑移边界条件下的泄漏量值比一阶线性滑移边界条件下的泄漏量值更加接近实验数值,特别是在工程实例中转速、压力较低的工况下更加明显.     

柱面螺旋槽干气密封微尺度流动场稳态近似计算

针对高速、大振动等极端操作工况,提出一种新型柱面螺旋槽干气密封。基于此种干气密封结构特点,建立了考虑滑移边界条件下的微尺度效应稳态柱面雷诺方程,运用PH线性化方法、迭代法对雷诺方程进行近似求解,获得了气体压力的近似解析解,并运用MATLAB软件计算了特定工况下的气膜压力分布。分析了螺旋槽槽数、槽深、偏心率、密封宽度对气膜压力的影响。结果表明:柱面气膜压力先升高后降低,呈现类似抛物线的分布趋势,且在槽区-非槽区交界处出现压力波动;随着槽数和槽深的增加,气膜压力升高且峰值变化较大;随着偏心率的增大,气膜压力相应增大但峰值变化较小;密封宽度对气膜压力影响较小。     

螺旋槽干气密封槽形参数的协调优化

应用PH线性化方法、迭代法,近似求解了螺旋槽内稳态流动场的非线性雷诺方程,求得了气体动压和速度分布的解析解.利用多目标优化方法构建了气膜刚度与泄漏量之比的协调函数,并对该目标函数进行了近似求解,获得了最佳的螺旋槽几何参数值.     

螺旋槽干气密封微尺度流动场的近似计算及其参数优化

应用PH线性化方法、迭代法,近似求解了螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程,求得了气体动压和速度分布的解析解。继而利用多目标优化方法构建了气膜刚度与泄漏量之比的协调函数,并对该目标函数进行了近似求解,获得了最佳的螺旋槽几何参数值。     

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.     

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.     

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.      

干气密封系统角向摆动非线性稳定性分析

基于非线性振动理论建立了气膜-密封环系统角向摆动的动力学模型,将气膜厚度表示为含有摆角的变量,在介质压力 p0=4.5852MPa、转速 nr=10380 r/min 的特例下计算并拟合非线性气膜的角向刚度,得到了一个含二次、三次项的非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求解 Floquet 指数讨论了系统分岔问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,给出了使干气密封系统稳定的螺旋角的范围(α<75°10′34″),并求得在特例下螺旋角α=75°10′34″时系统发生 Hopf分岔。这与已有文献中利用 Runge-Kutta 法研究的结果是一致的,从而验证了本文方法的正确性。改变工况后,对系统分岔问题进行了讨论,得到了系统分岔时的螺旋角数值,结果表明其螺旋角数值基本不变(α为75°9′54″或75°11′1″),说明改变工况后其分岔点位置不变。本文结果可为干气密封的动态优化设计提供理论指导。     

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.     

氦气－空气混合环境中微型螺旋槽止推气浮轴承的承载特性分析

针对氦气-空气混合气体环境,分析了不同氦气体积含量下混合气体的黏度和分子平均自由程,利用有限单元法求解雷诺方程二阶滑移修正模型,计算了微型螺旋槽气浮轴承的气压和气膜厚度,研究了氦气体积含量、螺旋槽深度和转速对气浮轴承承载能力的影响.分析结果表明:当螺旋槽深度由1μm增至10μm时,气浮轴承的气膜厚度先增加后减小,槽深为5μm时,气膜厚度最大,气浮轴承的承载能力最佳.此外,当槽深小于5μm时,混合气体的分子平均自由程对气膜厚度的影响较大;当槽深大于5μm时,混合气体黏度的影响起主导作用.     

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明:在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9~1.5,槽坝比δ取1.8~2.4,螺旋角φ取18~24°,槽深h_g取6~8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.     

螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性

考虑入口气流压力损失和出口阻塞效应,建立了微间隙端面高速气体润滑密封分析数学模型,对螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性进行研究.重点分析了不同密封间隙、密封压力和转速等工况条件下,入口压力损失和出口阻塞效应对开启力、泄漏率及气膜刚度等密封特性参数的影响规律.结果表明:高速气体阻塞效应使出口压力高于环境压力,压力损失使入口气膜压力下降,导致泄漏率和气膜刚度明显下降,并使开启力增加.随着密封压力和密封间隙的增加,阻塞效应增强,导致泄漏率和气膜刚度显著降低.密封压力10 MPa时,泄漏率降低可达20%,气膜刚度的下降可达30%以上.     

仿特斯拉阀结构新型槽端面干气密封的数值研究

基于特斯拉阀结构的单向导通特性,提出一种集聚点更多和高压区域面积更大的新型(特斯拉阀型)干气密封槽型结构,该结构可获得比经典对数螺旋槽型更佳的密封效果. 通过建立特斯拉阀密封槽型的几何模型和数学模型,采用Fluent软件对不同几何参数和工况参数的密封性能进行系统数值仿真,获得密封开启力、气膜刚度和泄漏量等稳态性性能参数及瞬态膜压波动幅值方差. 分析了主阀道、支阀道和阀槽半径等参数对密封性能的影响规律,对比研究对数螺旋槽与特斯拉阀槽型在不同工况条件下的性能特性. 结果表明:相较于经典对数螺旋槽,同一工况下的特斯拉阀槽型具有更佳的开启力和刚度特性,尤其在高速、高压、小膜厚和大槽深时的开启力提升效果更加显著;在干气密封气膜稳定运行区间(h=3~6 μm),特斯拉阀槽型的气膜刚度较螺旋槽提升近20%;在高转速时(N>30000 r/min),特斯拉阀槽型的稳定性更好,且具有更小的压力波动.      

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.     

干气密封力学系统动态性能及其影响因素间的交互作用分析

在考虑转轴轴向振动的情况下，基于气体润滑和动力学相关理论，建立了微扰膜压控制方程和挠性安装静环运动方程. 研究了介质压力、螺旋角对干气密封动态特性和瞬态响应的影响；定义了膜厚扰动的突变峰和周期峰，并以突变峰或周期峰最小作为动态性能的优化目标，基于完全析因设计法，开展了高参数螺旋槽干气密封动态性能影响因素间的交互作用分析. 研究结果表明:高速条件下，膜厚振动型态受介质压力影响较大，当介质压力较小时，气膜动态阻尼较小，气膜振动初始阶段易发生波幅逐渐衰减的振荡，而当介质压力增大到一定程度时较大的气膜动态阻尼使膜厚振动迅速衰减，振荡现象消失；高速高压条件下，除挠性环质量和弹簧刚度对周期峰的影响存在显著交互作用外，其余各影响因素对突变峰和周期峰均不存在明显的交互作用，可独立开展优化而不牺牲其结果精度.      

密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下获得了气膜动态特性系数;基于动力学相关知识,在考虑转轴轴向振动的情况下,利用气膜轴向动态刚度和阻尼系数分别求解了静环挠性安装、动环挠性安装和两环均挠性安装的干气密封挠性环运动方程.在不同轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼下分别研究了三种典型结构干气密封动态追随性并进行了对比分析.结果表明:当轴向激励频率较高或挠性环质量较大时,静环挠性安装干气密封在刚受到外界激励时膜厚突变相对严重,动态追随性较差;在轴向激励频率较低且挠性环质量较小时,静环挠性安装干气密封相比动环挠性安装干气密封表现出更好的动态追随性;在三种密封环挠性安装形式中,两环均挠性安装干气密封动态追随性最好,且具有绝对优势.     

热变形下干气密封系统角向摆动稳定性分析

对考虑热变形下气膜的温度场分布进行分析,建立了气膜-密封环系统角向摆动计算模型,进而计算动环变形量。用Maple软件拟合得到了变形后的气膜厚度,继而对角向刚度和角向阻尼进行拟合,得到了一个含二次、三次项的非线性受迫振动方程。以Floquet指数为准则对系统进行稳定性分析,得出了系统稳定运行时的螺旋角范围,即当螺旋角α=75°9′55″时系统发生Hopf分岔。结果表明:在一定的精度下,考虑热变形对系统的稳定运行有一定影响,螺旋角的范围较不考虑热变形时略有减小。     

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.      

考虑空化效应的螺旋槽机械密封液膜动力学特性研究

考虑液膜空化效应的影响，研究螺旋槽液体润滑机械密封的动力学特性. 基于液体润滑理论和小扰动法，建立了考虑液膜空化的密封微扰膜压控制方程，采用有限单元法对端面液膜三自由度微扰下的液膜刚度和阻尼系数进行了数值求解，分析了不同参数对液膜密封动力系数的影响. 螺旋槽深度在10 μm左右、槽坝比在0.75左右、槽宽比在0.4左右，螺旋角在9°左右时液膜具有最大的轴向和角向刚度系数. 螺旋槽深度在5 μm左右、槽宽比在0.6左右、螺旋角在20°左右时，两角向交叉阻尼绝对值最大. 初始偏角的存在使密封压力呈现非对称性，从而使两角向动力系数绝对值不再相等. 液膜轴向刚度k_zz在数量级上远大于其余液膜刚度值，液膜轴向阻尼d_zz、角向阻尼d_αα和d_ββ远大于液膜其余阻尼值且随着转速和间隙的增大而减小.      

轴向槽动压滑动轴承非线性油膜力解析模型

本文中提出了一种求解流体润滑轴向槽径向滑动轴承非线性油膜力的解析模型.采用油膜气穴边界条件,基于Sturm-Liouville理论,求解了非线性油膜的压力分布.为了便于求解油膜动压润滑的Reynolds方程,将油膜压力函数分解为特解和通解相加的形式,润滑油膜的破裂位置通过连续性条件确定.运用分离变量法,将特解的压力分布分解为周向分离函数和轴向分离函数相加的形式,周向分离函数运用Sommerfeld变换求解.将通解的压力分布分解为周向分离函数和轴向分离函数相乘的形式.采用变量代换,将周向分离函数方程转化为Sturm-Liouville型方程,根据边界条件求得本征值和本征函数系,进而得到通解的周向压力分布;通过求解微分方程,得出轴向分离函数为含本征值的双曲正切函数.在油膜完备区域,对油膜压力分布的解析表达式进行积分,从而求得有限宽轴向槽径向滑动轴承非线性油膜力.计算结果表明:本文中提出的方法和有限差分法的结果吻合得较好,验证了本文中所提出解析模型的正确有效性.