螺旋槽干气密封槽形参数的协调优化

应用PH线性化方法、迭代法,近似求解了螺旋槽内稳态流动场的非线性雷诺方程,求得了气体动压和速度分布的解析解.利用多目标优化方法构建了气膜刚度与泄漏量之比的协调函数,并对该目标函数进行了近似求解,获得了最佳的螺旋槽几何参数值.     

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.      

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.     

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.     

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.     

螺旋槽干气密封微尺度流动场的近似计算及其参数优化

应用PH线性化方法、迭代法,近似求解了螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程,求得了气体动压和速度分布的解析解。继而利用多目标优化方法构建了气膜刚度与泄漏量之比的协调函数,并对该目标函数进行了近似求解,获得了最佳的螺旋槽几何参数值。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.      

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.     

两种螺旋角干气密封环端面摩擦特性试验研究

干气密封环端面的接触摩擦不容忽视,在槽型设计与优化时也应该考虑端面的摩擦特性.利用端面摩擦磨损试验机,分别对16°和18°两种螺旋角的螺旋槽干气密封环进行测试,通过对比分析磨损量、摩擦温度、摩擦系数以及表面粗糙度来讨论密封环的摩擦特性和两种螺旋角对端面摩擦性能的影响.结果表明:18°螺旋角试验的磨损量、摩擦温升和摩擦系数均稍大于16°螺旋角试验,说明18°螺旋角试件的磨损比16°螺旋角的更加剧烈;石墨环被螺旋槽覆盖的外圈粗糙度的变化有较大的差异,内圈粗糙度变化相似,说明槽型参数的改变对石墨环磨损的影响主要体现在外圈.试验结果为今后端面摩擦学性能的研究及槽型优化提供了依据.     

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.     

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.     

干气密封系统角向摆动非线性稳定性分析

基于非线性振动理论建立了气膜-密封环系统角向摆动的动力学模型,将气膜厚度表示为含有摆角的变量,在介质压力 p0=4.5852MPa、转速 nr=10380 r/min 的特例下计算并拟合非线性气膜的角向刚度,得到了一个含二次、三次项的非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求解 Floquet 指数讨论了系统分岔问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,给出了使干气密封系统稳定的螺旋角的范围(α<75°10′34″),并求得在特例下螺旋角α=75°10′34″时系统发生 Hopf分岔。这与已有文献中利用 Runge-Kutta 法研究的结果是一致的,从而验证了本文方法的正确性。改变工况后,对系统分岔问题进行了讨论,得到了系统分岔时的螺旋角数值,结果表明其螺旋角数值基本不变(α为75°9′54″或75°11′1″),说明改变工况后其分岔点位置不变。本文结果可为干气密封的动态优化设计提供理论指导。     

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.     

下游泵送螺旋槽密封空化试验及性能分析

基于自主设计的可视化试验装置及膜温和膜厚测量方法,对下游泵送螺旋槽密封空化特征及性能参数进行试验研究.探讨了油压和转速对不同螺旋槽密封液膜中空穴发生位置、空穴分布及空穴边界的影响,拟合了不同螺旋槽密封空穴边界的试验关系式,并对不同空化模型的理论泄漏量和膜厚与相应试验值进行了对比分析.结果表明:内槽型和中槽型密封的空穴均发生在螺旋槽内,但两者的空穴区形状明显不同;油压的增加有助于抑制液膜中空穴的发生,而转速的增加反之;尤其是内槽型,油压对其空穴发生影响更为显著;在低转速或高油压时,Reynolds和JFO两空化模型均可用于预测泄漏量和膜厚;在高转速或低油压时,JFO空化模型预测值更准确,而Reynolds空化模型预测值偏大.