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.      

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.     

仿生多叶翼型槽干式气体端面密封的性能研究

为有效解决干式气体端面密封(简称干气密封)在低速、低压等操作条件下端面开启困难、稳定性差以及在高速、高压等高操作参数工况下泄漏率较高的瓶颈问题,提高密封的可靠性及使用寿命,在现有干气密封型槽设计方法的基础上,根据鸟类仿生学原理,提出了仿生多叶翼型槽干气密封.基于气体润滑理论,建立了仿生多叶翼型槽干气密封及其几种衍生型式的端面几何结构模型和气膜压力控制非模型,采用有限差分法进行数值模拟,分析了仿生多叶翼型槽及其衍生型槽的特殊几何结构与几何参数对干气密封性能的影响规律.结果表明:相较于单向螺旋槽干气密封和普通单向仿生双叶翼型槽,仿生多叶翼型槽及其衍生型槽干气密封在端面开启能力及运行稳定性上都有明显提升,而且仿生多叶翼型槽的衍生型式干气密封其泄漏率保持不变甚至更低.文中提出了仿生多叶翼型槽干气密封的合适衍生型式,给出了相应型槽主要几何参数的优化取值范围.该研究进一步验证了干气密封仿生型槽的设计理念,为极端工况下于气密封的端面型槽设计提供了仿生学依据,拓宽了干气密封及其他润滑部件表面设计的研究思路.     

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.     

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.     

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。     

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.     

干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型

为揭示干气密封滑动摩擦界面高频微幅自激摩擦振动规律,用分形参数表征摩擦界面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,以及对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题的研究,建立了干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型. 通过数值对切向接触刚度的影响因素进行了分析,研究结果表明:切向接触刚度随分形维数、真实接触面积和材料特性系数的增大而增大;切向接触刚度随特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小. 相比于分形维数、特征尺度和材料特性系数对切向接触刚度的影响,摩擦系数的影响相对较小. 这些研究结果为进一步研究干气密封高频微幅自激摩擦振动奠定了基础.      

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.     

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.      

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.     

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.     

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性.最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究.模型研究结果表明：干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关.接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关.分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大.当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.     

基于微通道构型的微流体流动控制研究

微通道不仅仅是作为流体流动的单元, 更是进行流体控制的工具,微通道自身特性和特征用在实现微流体的驱动、进样、混合、分离以及液滴的产生、控制等方面已经表现出了良好的效果.由于微通道中比表面积非常大, 表面效应极大影响流体流动,近年来多数研究集中在应用表面效应来实现微流体驱动与控制,而以利用微通道结构特征实现流体流动控制为目标的研究成果相对较少.为了提高对通道构型作用的认识,主要介绍了基于微通道构型的无可动部件的流体微阀和基于微通道构型微小液滴的产生及流动控制器两个方面的发展情况,表明微通道构型在微流体控制中同样可以发挥重要作用,甚至有望带来微流控技术的突破.      

基于鸟翼轮廓的干式气体密封仿生型槽设计

为解决目前干式气体密封存在的开启力与气膜轴向刚度不足,易出现磨损与失稳等问题,本文尝试将仿生学理念引入干式气体密封技术中,通过分析典型飞鸟的羽翼轮廓差异对其飞行状态与能力的影响,定义轮廓外形几何特征参数,运用几何重构法在现有干式气体密封的典型型槽即螺旋槽的基础上构建仿生型槽,提出新型仿生型槽干式气体密封密封.基于气体润滑理论,在建立仿生型槽干式气体密封的几何模型和端面气膜压力控制方程的基础上,采用有限差分法对仿生型槽干式气体密封进行数值模拟研究,分析了仿生型槽的主要几何结构参数对密封性能的影响规律.结果表明：相较于典型螺旋槽干式气体密封,通过合理设置仿生型槽干式气体密封的端面型槽的几何结构参数值,其开启力、气膜刚度等密封性能参数在一定范围内有所提升;干式气体密封的仿生设计具有重要的实际意义.     

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.     

自由液压流体流动问题的数值分析研究

对国内外具有自由液面的流体流动问题研究的数值求解方法进行了较为全面的评述。文中首先讨论了自由液面流体流动问题的数值求解方法，包括差分法、有限元法和边界元法等，然后说明了自由液面的跟踪和网格更新等问题。     

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.