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.     

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.      

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.     

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.      

倾斜椭圆微孔端面上游泵送气体密封流体动压特性

对倾斜椭圆微孔上游泵送气体密封的流体动压特性开展研究,对转速、密封压力、密封间隙等不同操作参数和方向因子、倾斜角、孔深以及面积比等微孔参数对密封端面动压开启力和泄漏量进行了数值分析.结果显示:倾斜椭圆微孔上游泵送气体密封可产生明显的流体动压效应,文中计算条件下动压效应使得开启力的增幅可达50%;高速条件下,倾斜椭圆微孔上游泵送气体密封可形成完全的反向泄漏.     

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.      

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.     

动压型分段式圆周密封变形特性及其调控策略研究

在流固耦合作用下,分段式圆周密封的变形特性和密封间隙形状是影响密封运行稳定性和可靠性的关键.通过建立动压型分段式圆周密封的流固耦合模型,研究了密封间隙的流场特性和结构变形规律,采用正交试验设计分析了影响密封变形的主要力学参数,包括密封压差、周向弹簧初始载荷和刚度、轴向弹簧初始载荷和刚度,并探讨了接头形状、接头间隙及辅助密封面槽型对密封环的变形调控效果.结果表明：在流体压力和弹簧力的共同作用下,变形后单段密封环的主密封面径向间隙沿周向呈现中间大两端小、沿轴向泄漏方向呈单调递减的变化趋势;力学参数中密封压差对密封环的变形影响最为显著,其次为周向弹簧初始载荷,最小为周向弹簧刚度;通过合理的接头形状和辅助密封面槽型的设计有望显著改善密封环的变形特性,获得分布更为均匀的主密封面径向间隙.     

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.      

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.      

悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合数值分析

工作温度是影响轴承性能关键因素之一,为了深入分析轴承气膜温度变化对箔片轴承承载特性的影响,本文中建立了考虑冷却气实际流动特性的悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合模型,研究了轴承间隙、转速以及冷却气流速变化时悬臂箔片轴承气膜压力场和温度场等的变化规律.研究结果表明：随着轴承间隙减小以及轴承转速增大,气膜表面温度逐渐升高,其中气膜高压区温度上升更快,气膜温度与轴承间隙呈现线性变化趋势,气膜温度与转速呈现非线性增长的趋势,相比于轴承间隙,轴承转速升高对润滑气膜温度场影响更大,气膜温度过高可能会造成轴承热失效,因此需要深入研究工作温度对轴承性能的影响;随着冷却气流速增大,轴承承载力和气膜温度逐渐减小.冷却气流速增大到一定程度时,降温效果不再发生明显变化.     

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.     

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.     

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.     

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.     

单金属密封间隙两相流动及密封性能研究

基于单金属密封热-流-固耦合模型计算结果，建立多工况下单金属密封间隙三维非均一液膜计算模型.利用多相流模型(VOF)、用户自定义函数(UDF)和动网格技术研究单金属密封端面液膜特性及泥浆侵入行为，探讨稳、动态条件下环境压力和转速对单金属密封间隙两相流动及密封性能的影响规律.结果表明：外侧泥浆受动环旋转影响侵入密封间隙的倒角区和密封区外侧，在低环境压力和高转速条件下泥浆侵入愈明显；受周期性振动影响，泥浆向密封区内部侵入延伸且逐渐累积，长周期工作时泥浆经由密封间隙进入轴承系统的可能性大大增加；随着环境压力的升高，润滑油泄漏率均值不断增加而振幅逐渐减小，摩擦力均值及振幅均减小.     

交错式扇贝阻尼密封动力特性研究

建立交错式扇贝阻尼密封三维数值分析模型,基于动网格及多频椭圆涡动模型研究密封动力特性沿轴向分布规律,计算分析错开角度(α=0°、11.25°、22.5°、33.75°)与密封腔深度(h=2.8、3.3、3.8和4.3 mm)对密封动力特性的影响. 结果表明:上游腔室(C1~C4)具有较大的正直接刚度和有效阻尼,对抑制转子涡动、提升系统稳定性的贡献相对较大. 相对并列式(α=0°)结构,交错式扇贝阻尼密封流体周向速度较小、湍流耗散增加,系统稳定性提升,同时密封泄漏量降低. 错开角度为33.75°时的有效阻尼约为0°时的111%~121%;错开角度为22.5°时的泄漏量相较于0°时约降低了2.11%. 有效阻尼随密封腔深度减小而增大,密封腔深度为2.8 mm时的有效阻尼约为4.3 mm时的146%~211%;密封泄漏量随密封腔深度增大而降低,密封腔深度为4.3 mm时的泄漏量相较于2.8 mm时降低了约3.73%.      

基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法

针对现有机械密封泄漏机理研究存在的不足,利用Hertz理论研究机械密封界面接触力学问题,揭示了孔隙率随端面形貌、端面载荷等参数的变化规律;基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗阈值与孔隙率的关系,建立了密封界面泄漏通道模型,以及泄漏率与端面形貌参数关系表达式;研制了机械密封静态泄漏测试装置,测试了6组不同端面形貌试件在一定介质压力下的泄漏率.结果表明:密封界面的初始孔隙率?0随着分形维数D的增大而增大;端面比压pc增大,孔隙率?减小,并随着D的增大和尺度系数G的减小,?快速减小,直至填实.在端面比压作用下,密封界面的孔隙率均大于0.593,密封界面泄漏通道可以简化为单层网格逾渗模型.密封环的表面越粗糙,其密封界面的孔隙率越大,而由孔隙连通形成的泄漏微通道孔喉尺寸就越大,致使密封界面的泄漏率越大;泄漏率理论预测值与试验结果具有良好的吻合度,验证了本文泄漏预测方法的合理性.