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.     

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.     

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.     

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.      

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.      

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.     

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.     

热耗散下螺旋槽干气密封气膜刚度的计算与分析

通过二阶非线性滑移边界条件下的雷诺方程并用PH线性化方法和迭代法求得螺旋槽内的气膜推力和气膜压力,并推导了其气膜厚度,得到二阶非线性滑移边界条件下气膜刚度的近似解析式,推导出考虑热耗散下的气膜能量微分方程;利用气膜的压力、能量方程、二阶非线性滑移边界条件下气膜刚度的近似解析式,通过Matlab软件求得螺旋槽内气膜刚度在不同压力、转速、槽深、螺旋角下的分布。结果表明:随着压力、转速、槽深的增大,气膜刚度随之增大,并在槽根部附近达到最大值,且气膜刚度的变化呈非线性;在槽深为6μm、介质压力为0.4MPa、转速为8700r·min-1、环境压力为101.3k Pa的工况下,螺旋角为75°左右时,气膜刚度最大。通过本文设计的在不同介质压力下的试验表明,通过能量微分方程计算所得的考虑热耗散下的气膜刚度数值比不考虑热耗散的气膜刚度数值更接近试验值。本文结果对优化干气密封结构参数、提升干气密封性能十分重要。     

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.     

均压槽结构形状对静压干气密封性能影响分析

静压干气密封(DGS)中的均压槽起着均布压力和二次节流的作用,开展了典型形状均压槽静压DGS的性能对比和结构优选.基于静压气体润滑理论,建立了圆形、椭圆形、扇形和环形等四种典型均压槽静压型DGS的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解获得了四种均压槽静压型DGS端面的膜压分布和稳态密封性能参数,分析了径向开槽比和周向开槽比对四种均压槽静压型DGS密封性能的影响规律;以获得较大的密封开启力和气膜刚度为目标,计算得到了均压槽径向开槽比和周向开槽比的优选值范围.结果表明:当均压槽径向开槽比0.15Wd0.45时,环形均压槽静压型DGS可获得较大的开启力和气膜刚度,其他三种均压槽静压型DGS的径向开槽比优选值范围为0.3Wd0.45;扇形和椭圆形均压槽静压型DGS具有相似的密封性能,其密封性能仅次于环形均压槽静压型DGS;当均压槽周向开槽比0.6Lθ1.0时,扇形均压槽静压型DGS可获得较大的开启力和气膜刚度.     

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.     

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.