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.      

节流孔截面形状对静压干气密封稳态性能和压力波动特性影响

建立了不同形状节流孔出口截面静压干气密封的几何模型,采用湍流大涡模拟方法数值求解了小孔节流静压干气密封的瞬态流场和压力场,对比了节流孔出口开设圆角、倒角与经典小孔节流静压干气密封的开启力、泄漏率等稳态性能参数和节流孔出口附近的压力波动特性,以较大密封开启力和较小压力波动为目标,获得了节流孔出口倒角和圆角的优选值范围. 结果表明:相较于经典小孔节流静压干气密封,节流孔出口开设倒角或圆角能提高静压干气密封的开启力,显著降低节流孔出口压力波动,且当倒角为0.3~0.4 mm,圆角为0.1~0.3 mm时具有最佳效果.      

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.     

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.     

干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究

旋转流场中的流体流动比较复杂,特别是在高转速、微尺度工况时,流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型.选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象,以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数,选择剪切(周向)、径向及轴向速度分量对速度流场进行介观表述,通过Fluent软件仿真计算大跨距转速(低转速至超高转速)时的宏观、介观指标参数,研究密封性能指标参数与速度场间的内在逻辑关系.结果表明:低速旋转流场中的轴向速度分量较小,可忽略不计,转速升高会促使轴向速度分量持续增大,当转速持续增大并超过某一临界值时,轴向速度分量会出现迅速升高的情形;轴向速度分量的变化情形与微尺度流场(开启力和泄漏量)波动密切相关,是影响旋转流场流态的关键性指标参数,也是引起宏观流场特性变化的主要因素;径向速度分量的变化情形与微尺度流场泄漏量的变化规律基本一致,随着转速的增大,泄漏量的宏观性能反馈要早于开启力波动的出现.基于以上研究,同时根据管道雷诺数、流量因子判定模型及流体力学基本理论,尝试提出了基于三维速度分量的针对旋转流场流态的椭球判定模型.     

高压干气密封扭转变形结构因素影响分析

基于圆环理论以及气体润滑理论,以复杂截面机械密封环为研究对象,建立密封扭转变形无量纲分析模型;提出了干气密封端面膜压引起端面扭转变形的计算方法,并基于该法,采用多因素优化法研究密封环结构和辅助密封圈安放位置等因素对其扭转变形的影响规律,以期使结构影响规律化.结果表明:采用解析法与集中法计算膜压扭转变形是可行的;各结构参数对扭转变形的影响规律及程度不同;扭转角随台阶半径比π2、长度比π3、O型圈位置的长度比π5的增大而增大,随宽度比π4、内径ri的增大而减少;扭转角在π4≤3.5时随长宽比π1的增大而减小,当π43.5时,随π1的增大先增大后减小,在π1=2~3间形成最大值;π1值相比π2值,对扭转角影响不大;相比π1、π2、π3和π4的影响,ri和π5影响较小,相比密封结构,O型圈位置影响较小.     

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.     

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.     

高速气流阻塞效应对倾斜微孔端面密封动压特性的影响

以倾斜椭圆微孔端面为研究对象,考虑出口阻塞效应和入口压力损失,对高速气流润滑密封动压特性展开理论研究.采用数值方法重点分析不同密封压力、转速等操作参数和端面宽度等几何参数以及方向因子、倾斜角、孔深及面积比等微孔几何参数下,阻塞效应对开启力和泄漏量等密封特性参数的影响规律.结果表明:入口压力损失使入口处压力降低,出口阻塞效应使出口处压力抬升,导致端面开启力和泄漏量降低.随着转速和密封压力的增加,阻塞效应增强,与强制压力边界下的值相比,当密封压力为10 MPa,转速为50 000 r/min时,开启力降低可达5%以上,泄漏量可降低67%以上.当孔深取2~4μm,微孔倾斜角取20°~40°时较易获得优异的动压开启性能.     

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.     

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.      

T型槽干气密封数值分析及槽型优化

应用UG软件对T型槽干气密封内流场进行了三维建模,同时运用Fluent软件对三维流场进行了数值模拟.首先对经典T型槽在相似工况下进行了分析,验证了仿真计算方法的正确性;然后运用本方法对T型槽槽型进行了优化,并与相关文献计算进行了对比,结果证明新槽型的开启力及泄漏量较经典T型槽皆有较大改善;最后对新槽型的相关几何参数进了优化分析,得出在不同操作参数下对应的最优值:在不同转速及压力变化条件下,优化槽型的α,β取值为40°~45°,槽深hg取值为4~6μm;在转速和压力不变的条件下,求得m取6 mm,n取12 mm较合适.     

双尖槽干气密封特性对比研究

提出一种新型双尖槽端面密封,具体由两个开槽深度不同、径向长度相同的螺旋槽及1个圆弧槽组合而成. 建立了该双尖槽与燕尾螺旋槽端面密封的数学模型,并运用有限差分法进行了数值计算. 结果表明:在小间隙区域,双尖槽具有更大的开启力、泄漏量、刚度及刚漏比,且间隙越小,双尖槽较燕尾螺旋槽其端面的开启力、刚度及刚漏比差值越大;在间隙(h₀)小于3.0 μm区域,双尖槽开启力整体大于燕尾螺旋槽;在间隙小于6.0 μm区域,双尖槽气膜刚度整体大于燕尾螺旋槽;在间隙小于6.8 μm区域,双尖槽刚漏比整体大于燕尾螺旋槽;特别是在间隙为3.0~5.0 μm区域,双尖槽较10 μm和8 μm槽深燕尾螺旋槽刚度有显著增大,较5 μm槽深燕尾螺旋槽增幅也达到6%左右;在间隙约小于3.0 μm区域,双尖槽较燕尾螺旋槽的泄漏量值虽有所增大,但其值没超过泄漏量的设计值,密封基本性能指标合格. 故双尖槽在泄漏量不超标的情况下,具有更优的综合性能.      

碳含量对碳素钢磁场摩擦磨损性能的影响与作用机制研究

基于自制的HY-100销-盘式磁场摩擦磨损试验机,对比研究了有无外加磁场条件下,低碳钢、中碳钢和高碳钢的滑动干摩擦行为和其磨损特性,并使用扫描电子显微镜、金相显微镜等分析了摩擦微观表面与次表面,探讨了碳含量对碳素钢磁场摩擦的影响规律和作用机理. 试验结果显示:根据碳含量的不同,有无磁场条件下碳素钢摩擦系数的变化也不同,在外加磁场条件下,低碳钢摩擦系数降低,中碳、高碳钢摩擦系数升高;随着碳含量升高,磁场对其摩擦系数的影响越小. 外加磁场可以有效改善碳素钢的磨损性能,随着碳含量升高,磁场对其磨损率的改善程度越大. 分析其原因可能为铁碳竞争氧化,这既保证了铁氧化物的减磨效应,也减缓了铁氧化物积累后的剥落. EDS能谱分析结果表明高碳钢的氧铁比最低,和铁碳氧化竞争模型推论相一致.