流体静压型机械密封的三维传热数学模型及端面温度分析

建立了静环倾斜时流体静压型机械密封的三维稳态传热模型,考虑流体黏度随压力、温度的变化,建立了压力、温度的控制方程,采用有限差分法,分析研究了倾斜量、结构参数及操作参数对机械密封温度分布的影响规律.结果表明,端面的最大液膜压力和最高温度随静环倾斜量的增加而增大,倾斜量越大,压黏效应越显著;端面温升受密封的结构参数、操作参数影响明显.静环端面锥角越大,温升越小;流体注入温度越低,温升越大;动环转速越高,温升越大.     

非接触式气体润滑密封变形的数值分析

针对离心泵用非接触式螺旋槽气体润滑密封，通过采用有限元法求解描述密封端面间气体流动的雷诺方程，计算了不同约束、不同结构的静密封环和配对动密封环的力变形、端面泄漏量、开启力及气膜刚度等参数，分析了变形对密封特性的影响．结果表明：密封环的力变形使得端面气膜形状大多呈发散型，约束对其变形大小具有重要影响，选择合适的约束可以减小密封面转角、提高气膜刚度、增强密封工作稳定性；变形对密封的开启力影响不大，但变形导致泄漏量增大，并明显改变气膜刚度。     

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.     

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.     

考虑磨损的接触式端面密封模型及试验

针对油润滑窄端面接触式端面密封,建立了考虑端面稳定磨损的密封性能分析模型. 基于流体承载和固体接触承载共同平衡闭合力的传统思路,引入Archard磨损模型,创新性地提出沿窄端面径向方向磨损均匀假设,从而使用半解析方法得到近似固体接触力、流体承载力及介质膜厚分布. 在此基础上耦合密封环组件力和热变形,最终得到密封泄漏量、端面温度等性能参数. 相应台架试验结果也较好地验证了模型的正确性. 所建模型对于窄端面接触式端面密封的性能分析和密封优化设计具有指导意义.      

基于平均膜厚和压力流量因子的机械密封泄漏分形模型

研究接触式机械密封端面泄漏模型建立问题.采用分形参数表征机械密封端面形貌,通过引入压力流量因子来反映实际粗糙表面对泄漏通道的影响,推导出了压力流量因子的分形表达式,建立了基于平均膜厚和压力流量因子的泄漏分形模型.通过理论计算对机械密封泄漏率的影响因素进行了分析,并在自制的试验装置上对2套B104a-70型机械密封进行了试验,试验密封流体为20℃清水,压力为0.5 MPa,转速为2 900 r/min,弹簧比压分别为0.15和0.30 MPa.研究结果表明:泄漏率随着弹簧比压的增大略有下降,随着密封流体压力及转速的增大而增大,且端面越粗糙增大的幅度越大;当端面较粗糙时,泄漏率随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小而迅速减小,而当端面较光滑时,泄漏率的变化很小;泄漏率的理论计算值与试验值吻合较好,特别是在进入正常磨损阶段后相差很小.     

激光加工多孔气体端面密封的静压性能研究

采用有限元方法求解二维气体雷诺方程,研究激光加工多孔端面气体润滑密封的静压性能.主要分析了密封端面的微孔面积比Sp、开孔比γ、无量纲孔深ε和密封压力Po对开启力增幅△Pav、泄漏量Q、开漏比E、刚漏比Ek等密封性能参数的影响规律,结果表明,当Sp=0.65,γ=0.6,ε=3.0时可确保密封在静压条件下具有优异的性价比.研究结果为密封的优化设计提供了依据.     

核主泵用双锥度端面流体静压机械密封热弹流效应研究

针对核主泵用双锥度端面流体静压型机械密封热弹流效应研究在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,提出了收敛型双锥面流体静压型机械密封,并建立了热-流-固耦合数学模型;通过采用有限差分法求解端面温度和端面流体膜压的控制方程组,采用有限元法求解密封环的热、弹变形,对密封进行了流、固、热耦合分析,研究了热弹变形对密封性能的影响,并对单锥面和双锥面2种流体静压型机械密封的密封性能、温度分布进行了对比研究.结果表明:双锥面密封与单锥面密封相比,不仅稳定性更好,而且端面温度分布更均匀,可靠性更高,但是泄漏率略有上升;在泄漏入口处即高压侧,外锥面锥度的大小对开启力影响较大,而在泄漏出口处即低压侧,内锥面锥度的大小对泄漏率影响较大;内锥面宽度比取0.05左右时能获得较大的刚漏比.     

高压混相激光脸浅槽机械密封润滑状态转变特性及密封性能分析

以激光脸浅槽微接触式密封为研究对象,求解考虑混相介质特性和密封端面粗糙度效应的雷诺方程,通过分形接触理论求解微凸体接触力,利用不同微凸体接触状态下求解出的液膜承载系数对混相微接触式机械密封混合润滑状态进行分级,探究了压力及转速等工况条件和开槽形式对密封的润滑状态转变的影响规律.结果表明：混相微接触式机械密封混合润滑状态可分为弹性混合润滑状态、弹塑性混合润滑状态和塑性混合润滑状态3个级别;随着转速升高,液膜承载力不断增大,微凸体接触力逐渐趋向于0,密封环分开实现非接触,此时液膜承载系数为1;压差和槽深越大、混相介质气相容积比越高,矩形槽角度和周期数越小,临界转速越大,润滑状态更稳定,摩擦副分离越困难.     

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.     

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.     

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.     

不同型面微孔对激光加工多孔端面机械密封性能的影响

考虑密封端面液膜中的空化现象,建立了激光加工多孔端面机械密封(LST-MS)的理论分析模型,应用有限元方法研究了矩形面、椭圆面、球缺面和抛物面等4种不同型面微孔LST-MS的密封特性参数,包括端面开启力、液膜刚度和摩擦扭矩等受微孔几何结构参数的影响规律,给出了上述LST-MS在最大液膜刚度条件下微孔的最优面积密度和最优深径比.结果表明,矩形型面微孔LST-MS拥有最佳的综合性能,研究结果具有较强的理论与工程应用价值.     

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.     

动静压混合式气体密封的特性分析

基于气体动压式和静压式密封原理,提出了新型的动静压混合式气体密封(简称混合式密封),介绍了该密封的工作原理.采用有限元法,利用Matlab数值软件,求解了混合式密封及动压式密封和静压式密封端面间气膜的Reynolds方程,得到气膜的压力分布,进而求得了密封的性能参数,如开启力、稳态刚度、泄漏率、摩擦功耗等.比较了不同端面结构的混合式密封与静压式和动压式密封的密封性能,并分析了混合式密封及静压式密封在失去气源情况下的密封性能.结果表明:与动压式密封相比,在同一气膜厚度下混合式密封获得的开启力更大,气膜厚度增加时仍具有较大的刚度;混合式密封可实现静压开启,动压运转;由于同时具有动压效应和静压效应,混合式密封工程应用范围更广;此外,混合式密封的特性参数可以通过在线调节阻封气压来改变.     

倾斜微孔端面气体密封的动压特性研究

为提高多孔端面气体密封的动压特性, 提出 １种双列倾斜椭圆微孔端面密封结构． 基于气体润滑理论模 型, 采用数值方法分析了操作参数和微孔几何参数对密封泄漏率和开启力的影响规律, 探讨了倾斜微孔的上、 下游 泵送作用对气体密封动压特性的作用机理． 结果表明： 与单列倾斜微孔端面气体密封相比, 双列倾斜微孔端面气体 密封可使动压开启力显著增加, 低压侧微孔环带可将下游流体沿微孔倾斜方向向上游泵送, 使得泄漏率显著降低, 气体密封动压效应明显增强; 密封动压性能受反向开孔比、 微孔倾角、 面积比和孔深等几何参数的影响, 本文给出了 这些参数的优化取值范围．     

织构化柱塞对压裂泵密封副的摩擦学性能影响

采用精密机械雕刻技术在压裂泵柱塞试样表面雕刻微凹坑阵列表面织构,利用MDW-100型微机控制立式万能摩擦磨损试验机对具有不同尺寸形状的微凹坑柱塞-丁晴橡胶密封试样进行摩擦磨损试验,研究了织构化柱塞试件与丁晴橡胶摩擦副在流体动压润滑条件下的润滑特性.结果表明:压裂泵柱塞试件表面合理织构组合可以显著地提高柱塞密封系统摩擦副的润滑和减摩性能,其中面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑织构是较优的,其摩擦副的摩擦系数、温升及磨损量相对于无织构试件分别降低了80%、90%及79.3%,且表面磨痕也显著低于无织构及其他织构组合的柱塞密封摩擦副.     

On the Application of LES to Seal Geometries

Five Large Eddy Simulation (LES) and hybrid RANS-NLES (Reynolds-Averaged Navier-Stokes-Numerical-LES) methods are used to simulate flow through a labyrinth seal geometry and are contrasted with RANS solutions. Results show that LES and RANS-NLES is capable of accurately predicting flow behaviour of two seal flows with a scatter of less than 5 %. RANS solutions show the potential to perform poorly for the turbulence models tested. LES and hybrid RANS-NLES are found to be consistent and in agreement with measurements, providing a flexible numerical platform for design investigations. It also allows greater flow physics insights.     

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.