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.     

T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定性

对T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定进行了分析. 考虑端面热变形和弹性变形以及辅助密封的阻尼特性，数值分析了不同振动频率下密封气膜动态压力分布和温度分布规律，并利用小扰动方法分析了外界扰动频率对气膜刚度、阻尼和振幅的影响规律. 结果表明:高压和高速条件下，密封端面的弹性变形和热变形产生发散间隙，导致密封气膜厚度显著降低；外界扰动产生附加压力和温度分布，刚度随扰动频率的增加而迅速增加，阻尼随扰动频率的增加而迅速下降；一定扰动频率范围内，轴向振幅与扰动频率成对数线性关系增加，辅助密封阻尼使得密封气膜的振幅显著上升.      

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

型孔形状和方向对孔型阻尼密封泄漏特性影响

研究了型孔形状和方向性对孔型阻尼密封泄漏特性的影响. 建立了孔型阻尼密封流场特性CFD数值模型，对比分析了不同转速和密封间隙下圆孔阻尼密封、蜂窝密封、迷宫密封和光滑面密封的泄漏特性，研究不同转速下型孔形状、超椭圆系数和倾斜角对广义孔型阻尼密封泄漏特性的影响规律，探讨了方向性型孔阻尼密封阻流控漏机制. 结果表明:紧密排列的孔型阻尼密封相较于迷宫密封和光滑面密封具有显著优异的密封性能；倾斜角为30°、超椭圆系数为2且边数为2的类椭圆型孔阻尼密封在静止时具有最小的泄漏率，且可通过减小周向或轴向排列间距进一步减小泄漏；一定倾斜角条件下，超椭圆系数较大的类椭圆型孔出口尖端附近能形成明显的低速阻流区，从而达到阻流控漏的效果.      

微扰动对液体螺旋槽机械密封性能的影响

针对非接触式液体螺旋槽机械密封,分析了周期性轴向微扰动和角微扰动对密封环端面间液膜厚度的影响规律,建立了单周期螺旋槽液膜模型,采用数值法求解时变雷诺方程,研究了微扰动对液膜承载力和泄漏率等密封特性参数的影响.结果表明,膜厚对液膜承载力和泄漏率的影响显著,膜厚增加,液膜承载力减小,泄漏率增大.液膜承载力、泄漏率的变化幅度和频率主要受到轴向扰动的影响.角扰动造成沿圆周方向分布的液膜承载力不均匀而使液膜稳定性变差.     

考虑甲烷溶解效应的液膜密封稳态性能研究

针对油气混输工况密封腔内含气率变化所引起的液膜承载力不稳定问题,考虑密封腔内油气两相介质的互溶性特征,将溶解度方程引入包含Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO)边界条件的广义稳态Reynolds方程,建立了考虑甲烷溶解效应的液膜密封润滑模型.采用有限差分法求解该溶解润滑模型,研究了液膜压力、甲烷溶解度及油相黏度之间的相互影响机制.在不同的螺旋槽结构参数与工况条件下,对比分析了甲烷溶解效应对液膜密封机理及密封性能的影响.结果表明：甲烷溶解效应在液膜高压区对油相黏度影响大;考虑甲烷溶解时所得的液膜开启力减小、空化率增大、摩擦系数增大以及泄漏量减小,且液膜动压效应越强时甲烷溶解效应对密封性能的影响越大.在高压及输送油气介质时,气体溶解对密封性能的影响不可忽略.     

自泵送流体动静压型机械密封自清洁性分析

流体楔入式非接触机械密封在流体动压的形成过程中，为防止流体中固体颗粒对密封端面的损伤，需增设辅助系统以提供洁净的阻塞流体，这增加了密封初期建设和维护周期成本. 针对一种新型的泵出式自泵送流体动压型机械密封，应用Fluent中Laminar模型和DPM模型仿真研究了其在不同颗粒直径、转速、压差、液膜厚度和颗粒体积浓度下的自清洁特性. 结果表明:排屑率整体上随着颗粒体积浓度增大而减小；当颗粒体积浓度足够低时，排屑率均会达到60%以上；随着颗粒直径增大，排屑率先增大后减小，在直径0.7 μm时排屑最高达79.35%.；随着转速增大，排屑率先下降后显著上升，在计算的0~6 000 r/min范围内排屑率达到94%；排屑率受液膜厚度和压差影响较小.      

阻旋栅对梳齿密封动静特性影响研究

阻旋栅可改变密封进口流体周向流动与进口预旋，是提高系统稳定性的主要方法之一. 本文作者应用计算流体力学方法研究了阻旋栅几何参数对梳齿密封动静特性的影响，计算分析了阻旋栅在不同长度、间隙、周向个数及不同进口预旋比下密封流场分布与动力特性系数，并与无阻旋栅梳齿密封进行对比. 研究表明:阻旋栅能够有效抑制密封进口周向流动、降低密封腔室周向压力；随着阻旋栅周向个数与阻旋栅间隙的减小，其抑制效果增强，阻旋栅长度的增加对周向速度影响则越来越小；提高预旋比将使密封内流体周向速度增加. 与传统梳齿密封相比，具有阻旋栅的梳齿密封直接阻尼增加，交叉刚度降低，进而有效阻尼提高. 阻旋栅间隙s=0.20 mm、长度l=3.25 mm、数量n=90时密封有效阻尼较大，系统稳定性最好.      

机械密封三维稳态模型及密封性能分析

针对接触式机械密封,建立了包括轴向模式和角向模式的三维稳态力学模型,考虑密封环端面接触及液膜空化,提出了数值求解方法,计算了在稳定工况下的泄漏率、液膜厚度、液膜压力和接触压力的分布形式,分析了动环初始安装误差,端面锥度等因素对接触式机械密封端面三维位置关系的影响.结果表明:初始安装误差、端面锥度对接触式机械密封的性能影响较大.所建数学模型和相关计算方法对接触式机械密封的优化设计具有一定的指导意义.     

汽液两相流机械密封的研究进展

液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式，且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中，实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变，由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象，甚至完全失效，严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行，因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义. 本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状，归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径，阐述了机械密封的相变原理，总结了端面流体膜参数的测量技术与方法；在试验研究方面，提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关，其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注，但缺少关于端面形貌或织构的深度研究，也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究；在理论研究方面，提出了机械密封相变稳定性判据，以及间断沸腾模型、连续沸腾模型和薄膜均相沸腾模型等3种理论模型，比较了3种模型的优缺点并指出其适用范围. 指出建立合理的相变理论模型，实现相变密封的稳定运行，突破相变密封监控关键技术，构建智能型液体润滑机械密封是未来两相流机械密封的研究重点.      

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.      

激光多孔端面气体非接触机械密封稳定性分析

基于气体润滑理论,采用与螺旋槽端面密封的对比分析方法,研究了均匀分布激光加工多孔端面气体非接触机械密封的稳定性,数值分析了密封间隙、不对中角度和外界扰动对开启力、泄漏量、气膜刚度以及密封间隙扰动振幅等密封参数的影响规律.结果表明:多孔密封中的动压效应微弱,开启力与气膜刚度与转速无关,密封端面开启时容易发生接触磨损;多孔密封端面压力分布均匀,不对中引起的开启力波动幅度小,但是角向容易产生自激振动,密封环外侧容易发生接触磨损;多孔密封轴向气膜刚度较小,具有更小的扰动振幅,密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定,减少密封端面的接触摩擦.     

下游泵送螺旋槽密封空化试验及性能分析

基于自主设计的可视化试验装置及膜温和膜厚测量方法,对下游泵送螺旋槽密封空化特征及性能参数进行试验研究.探讨了油压和转速对不同螺旋槽密封液膜中空穴发生位置、空穴分布及空穴边界的影响,拟合了不同螺旋槽密封空穴边界的试验关系式,并对不同空化模型的理论泄漏量和膜厚与相应试验值进行了对比分析.结果表明:内槽型和中槽型密封的空穴均发生在螺旋槽内,但两者的空穴区形状明显不同;油压的增加有助于抑制液膜中空穴的发生,而转速的增加反之;尤其是内槽型,油压对其空穴发生影响更为显著;在低转速或高油压时,Reynolds和JFO两空化模型均可用于预测泄漏量和膜厚;在高转速或低油压时,JFO空化模型预测值更准确,而Reynolds空化模型预测值偏大.     

偏心迷宫密封动静特性研究

建立了不同偏心状态下迷宫密封三维数值分析模型，应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法计算密封静态和动态特性. 结果表明:转子偏心会降低密封抑制流体泄漏的效果；密封腔内周向压力高点随偏心率增大逐渐偏离最小间隙处. 低偏心率(≤ 0.5)下，静态直接刚度K与静态交叉刚度k变化较小，高偏心率(> 0.5)下K和k的绝对值减小. 随着偏心率的增大，密封小间隙侧流动黏性效应增强是产生负静态直接刚度的主要原因. 密封偏心涡动时，低偏心率(< 0.6)下刚度和阻尼系数变化较小，随偏心率和涡动频率的升高直接刚度逐渐变为负值；随偏心率的增大，交叉刚度在正交两个方向上大小不再相等，有效阻尼降低，高偏心率(≥ 0.6)下有效阻尼受偏心率影响更显著.      

表面织构化机械密封热弹流润滑性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙表面接触、热弹性变形和黏温效应,结合JFO空化条件,建立了混合润滑状态下织构化端面机械密封的热弹流润滑(TEHD)理论分析模型.在航空泵用机械密封的操作工况范围内,应用有限单元法数值分析了圆形、方形和三角形等几种典型表面织构机械密封在稳定状态下的端面液膜压力、膜厚和膜温分布,以及对密封性能参数的影响规律.结果表明:表面织构对端面压力和温度分布影响很大;端面开三角形织构2的机械密封能获得最大的液膜承载比、最小摩擦系数、最高液膜刚度,在低压下能满足泄漏要求,因此性能最优.     

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.      

机械密封织构化表面粗糙度效应的有限元模型与摩擦学特性分析

为研究粗糙度效应对机械密封织构化端面承载能力、摩擦学特性以及密封性能的影响，基于有限元法建立了机械密封的混合润滑模型，针对确定性非高斯随机分布粗糙表面，考虑润滑液膜的宏微观空化作用和粗糙峰的接触，研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能. 结果表明:平衡状态下处于全膜润滑区间的非高斯型粗糙织构表面，在研究范围内均方根值越大的表面其减摩效果越好，且泄漏率越大，从混合润滑区到全膜润滑区转变的速度也随之增大；非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载能力，润滑性能以及密封性能有影响，但无明显规律；在混合润滑区，圆孔织构具有增摩效果，而在全膜润滑区表现出减摩效果.      

超临界二氧化碳高低齿梳齿密封动力稳定性研究

建立超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO₂)高低齿梳齿密封三维数值计算模型,应用基于微元理论的密封动特性识别方法,研究凸台宽度及密封间隙对超临界二氧化碳梳齿密封动静特性的影响,并与传统梳齿密封进行对比. 研究表明:高低齿梳齿密封的交叉复合刚度系数对有效阻尼系数影响较小,主阻尼对其占主要影响. 在低涡动频率下(<160 Hz),传统梳齿密封动力稳定性较好;而涡动频率高于160 Hz时,高低齿梳齿密封的有效阻尼系数约为传统梳齿密封的105%~113%;且存在1个最佳凸台宽度使密封系统稳定性最好(本文最佳值为5.13 mm);随着密封间隙的减小,有效阻尼系数的大小与频率依赖性分别增大、增强. 高低齿梳齿密封泄漏量较传统梳齿密封降低约45.5%;凸台宽度5.13 mm、密封间隙0.4 mm时较原始模型(b=4 mm、c₂=0.5 mm)泄漏量分别降低约5%和19%,高低齿梳齿密封泄漏量随密封间隙的减小而降低.      

液体密封端面倾斜椭圆孔上游泵送特性

气液异相介质隔离密封的实现有赖于密封端面几何型槽的上游泵送特性，为探索多孔端面实现液封气密封的设计途径，对液体密封端面倾斜椭圆孔上游泵送特性开展研究. 考虑空化效应，采用有限差分方法对转速、密封间隙、密封压力等操作参数和孔深、倾斜角、方向因子、孔数等结构参数对开启力和泄漏率的影响规律进行了数值分析. 结果显示:液体润滑条件下端面倾斜椭圆孔可产生明显的上游泵送效应，增加周向孔数和方向因子可实现被密封介质的完全零泄漏，同时可产生明显的流体动压效应使端面开启力提高50%以上. 文中密封压力条件下，孔深取5~10 μm，倾斜角取45°，周向孔数大于80，方向因子大于3时，密封可实现完全反向泵送，反向泄漏率的增加与随着孔数、方向因子和孔深的增加而增加.      

基于软弹流润滑模型的液压格莱圈密封性能分析

基于软弹流理论建立了液压往复格莱圈密封的数值分析模型,该耦合模型包括流体力学、接触力学、变形和热分析.数值求解获得了密封区域的膜厚、流体压力和接触压力分布,以及单个行程的流量和活塞杆表面的摩擦力,揭示了液压往复格莱圈密封的密封机理.通过参数化进一步分析了不同密封表面均方根粗糙度、密封压力和往复速度对密封性能的影响.结果表明:在本研究中,密封区域表现为混合润滑状态,且以微凸体接触摩擦为主;较小的密封表面均方根粗糙度值具有较好的密封性能,增大密封压力会导致泄漏量和摩擦力均增加,而增大往复速度有利于减小泄漏量.