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.     

径向直线槽端面密封空化特性数值模拟

基于质量守恒边界条件,建立了径向直线槽端面密封空化特性的数值模型.控制方程为考虑惯性的定常不可压缩Reynolds方程,利用有限控制体积法对其进行离散,采用分块加权方法计算膜厚突变处流量,迭代方法为Gauss-Siedel松弛迭代,并对空化特性影响因素进行了分析.结果表明：不同工况下,油膜破裂位置均在膜厚突然增大处,密封坝阻碍空化的产生;空穴区域随着转速的增大而增大,随着槽深的增大而减小;空化区域在径向由静压决定,周向由动压决定,二者对空化的影响相互独立.     

雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究

基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了雷列台阶-环槽机械密封端面润滑理论模型,采用有限单元法求解Reynolds控制方程,获得了端面膜压、密度比与液膜流线分布,分析了其密封机理与性能规律.结果表明:密封环端面内径侧的圆环浅槽和端面中部的圆环深槽组合结构可造成合理的空化现象,达到空化减漏的目的.其中,端面中部的圆环深槽是端面高压侧雷列台阶和端面低压侧圆环浅槽的隔离带,使得端面低压侧压力分布受端面高压侧压力分布的影响极小.密封流体进入低压侧圆环浅槽时,端面间隙突然发散,压力低于该工况温度下的饱和蒸汽压,整个圆环浅槽区液膜空化,达到零泄漏并出现大量的回流现象.外径侧雷列台阶提供良好的动压承载能力,实现了端面的非接触.雷列台阶和环槽织构的组合应用使得该机械密封具有优良的综合性能.     

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.      

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.      

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.     

基于流体动压原理的密封槽型优化方法

为得到螺旋槽动压密封最优槽型参数，进一步提高其流体润滑特性，基于流体动压原理提出以恒闭合力下典型参数螺旋槽密封参数为初始值，以动压密封螺旋槽的结构参数槽数、槽宽比、槽坝比以及螺旋角为变量，以泄漏率与开启力之比最小化为优化目标的槽型优化方法.采用参数化建模方法，建立优化数学物理模型，得到一系列优化槽型，分析并讨论了新方法的优化机制，最后对两种优化槽型与初始槽型进行了分析对比，结果表明：对于不同转速和优化槽数，提出的优化方法具有较好的适用性，优化所得槽型集中表现为A、B两种结构参数，按螺旋角β、槽宽比γ1以及槽坝比γ2的顺序分别为15°、0.50以及0.55和22.5°、0.55以及0.55.新方法的优化机制为：通过调整螺旋角、槽宽比和槽坝比，外移压力峰值和均化周向压力，同时，减少槽和坝区流体转移，降低流体出口流速，实现保持高开启力以及降低泄漏率的目标.对典型螺旋槽和A、B槽型进行性能对比，结果表明：在小膜厚段，流体膜生成率均较大，因此高膜厚的典型螺旋槽为优选槽型，而在大膜厚段，泄漏率较低的B型槽为优选槽型，而A型槽在全膜厚段的表现介于二者之间.     

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.      

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.     

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.     

不同设计参数下螺旋槽径向液体润滑轴承油膜稳定性的比较计算

采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法求解油膜压力的雷诺方程和扰动压力的摄动方程,并分析了螺旋槽径向液体润滑轴承的动态性能。采用逐步修正的迭代法实现正压力区和油膜破裂区交界处的雷诺边界条件。在不同参数下比较了螺旋槽轴承油膜不产生涡动的转轴临界质量Ｍｃ,并进行了参数的比较计算,发现合理地选择参数可以得到良好的油膜稳定性,甚至可达到绝对稳定。     

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.     

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.     

Operator‐splitting method for the analysis of cavitation in liquid‐lubricated herringbone grooved journal bearings

This paper presents an operator‐splitting method (OSM) for the solution of the universal Reynolds equation. Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO) pressure conditions are used to study cavitation in liquid‐lubricated journal bearings. The shear flow component of the oil film is first solved by a modified upwind finite difference method. The solution of the pressure gradient flow component is computed by the Galerkin finite element method. Present OSM solutions for slider bearings are in good agreement with available analytical and experimental results. OSM is then applied to herringbone grooved journal bearings. The film pressure, cavitation areas, load capacity and attitude angle are obtained with JFO pressure conditions. The calculated load capacities are in agreement with available experimental data. However, a detailed comparison of the present results with those predicted using Reynolds pressure conditions shows some differences. The numerical results showed that the load capacity and the critical mass of the journal (linear stability indicator) are higher and the attitude angle is lower than those predicted by Reynolds pressure conditions for cases of high eccentricities. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.