双向菱形孔织构端面密封性能研究

基于双向双列菱形孔织构端面流体密封的理论控制模型，采用有限元分析的方法研究菱形孔结构、排布方式和工况参数对密封性能的影响规律，研究菱形孔双向泵送作用对机械密封动压润滑性能影响规律及内在运行机制。结果表明：随外压增大，内外径处的压差逐渐增强，开启力和泄漏率逐渐增大，液膜刚度是先减再增而后减小；随转速增加，开启力、液膜刚度和泄漏率均呈快速增大的变化趋势；随着基础膜厚增大，开启力、液膜刚度先快后缓慢减小，而泄漏率则迅速增加；端面加工出的双向双列菱形孔织构可将间隙内流体进行回吸，从而减少泄漏率，提高了端面间隙的润滑性能，通过排布形式各异的菱形孔及结构参数的优化设计可实现密封特性的提升。     

液体椭圆孔端面泵用机械密封特性试验北大核心CSCD

为了探究液体椭圆微孔端面密封特性,通过液体密封试验考察了微孔端面密封的泄漏控制规律,对2种椭圆微孔端面和1种光滑端面开展对比研究,研究了不同压力和转速工况下泄漏率和温升的变化规律。试验结果表明:密封表面双列椭圆微孔设计在高速下可明显降低摩擦温升,转速达到15000 r/min时,最高可降低80℃;合理的反向椭圆微孔可以降低并控制密封泄漏;椭圆多孔密封端面在多转速工况时存在增加磨损的风险,通过合理的反向椭圆微孔设计可一定程度上减缓端面磨损。     

三角形-椭圆复合微孔织构化机械端面密封性能的数值研究

通过构建三角形-椭圆复合微孔机械端面密封的几何模型;利用数值模拟的方法计算出三角形、椭圆及三角形-椭圆复合微孔织构化密封端面流场的压力分布;系统考察结构参数织构深度h_p、织构面积率S_p、三角形、椭圆微孔偏转角度α,β;工况参数密封间隙h_0、动环旋转速度n等对密封端面性能参数的影响。结果表明:当h_p=4～5 μm,三种织构化端面的承载力F、流体膜刚度K均能获得最大值、且泄漏量Q可以控制在较低水平;当h_04 μm时,三角形-椭圆复合织构化端面的承载力F、泄漏量Q、流体膜刚度K均优于其他2种单一微孔织构化端面;当α=15°、β=10°～20°时,三角形-椭圆复合微孔织构化密封端面具有最佳的综合密封性能。     

弹性变形对泵用高速波度端面机械密封液体泄漏特性的影响

高参工况下密封环的弹性变形在一定程度上会影响密封性能。以波度端面机械密封为研究对象，考虑空化效应和弹性变形，对高速波度端面机械密封液体泄漏特性开展理论研究。采用有限差分方法数值求解密封的压力分布、开启力和泄漏量，重点分析密封端面波度几何参数以及密封工况参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果表明：高速工况下波度密封端面空化加剧以及端面变形，使得密封端面承载力减小；当表面波度幅值较小时，考虑弹性变形时的密封开启力大于不考虑弹性变形时的密封开启力，而表面波度幅值大于0.2μm之后，两者呈现相反的结果；考虑弹性变形时的密封泄漏率则均大于不考虑弹性变形时的密封泄漏率；在弹性变形影响下，波度端面机械密封的密封性能主要受密封压力和密封间隙的影响；随着密封压力的增加，密封泄漏率增加；随着密封间隙的增加，考虑弹性变形前后的泄漏率差值逐渐减小。在文中计算条件下，弹性变形使得密封泄漏率增加可达50%以上。     

不同形状微孔搭配对机械密封性能的影响

为探讨不同形状微孔搭配排布对机械密封性能的影响,基于Reynolds方程和JFO空化边界条件,采用有限体积法建立密封间隙流体的数值计算模型;选用圆形孔、椭圆形孔和等腰三角形孔任意搭配,得到27个模型,并计算不同压差、转速下各模型的开启力和泄漏率;对数据做归一化处理后绘制密封性能参数分布图。结果表明:模型中圆形孔数目越少,越靠近外径边界,模型的泄漏率越低,开启力越大;当压差为0时,密封性能参数呈现为区域性集中分布,此现象受动压效应和静压二者共同影响,压差越小,转速越大,越易产生。     

大圆形孔端面机械密封性能分析

考虑液膜空化的影响,采用有限单元法求解层流、等温条件下控制流体密封端面膜压的雷诺方程,分析大圆形孔端面机械密封在不同端面几何结构参数和操作条件下,端面液膜压力分布以及开启力、液膜刚度和泄漏率等密封性能参数的变化规律,对比微孔与大孔密封端面的性能,指出大圆形孔端面密封产生承载力的机制;以最大液膜刚度及开启力为优化目标,在研究范围内获得大孔的最佳孔深。结果表明:在相同研究条件下,随着孔径和孔数的增加,大圆形孔产生的流体动压效应比微孔更强;随着介质压力的增加,静压效应增强,空化效应减弱,由此导致端面开启力增大,液膜刚度下降,泄漏率增大;随着转速的增大,开启力和液膜刚度均增大,而泄漏率减小。     

表面波度对液体椭圆孔端面密封上游泵送特性的影响

表面波度与端面几何型槽的耦合影响使得密封性能的变化规律更为复杂。基于粗糙和波度表面假设,建立空化效应下端面椭圆孔液体上游泵送密封的理论分析模型,对上游泵送端面密封的压力分布和泄漏率进行数值求解计算,分析周向表面波度幅值、数量等几何参数和转速、密封压力等操作参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果显示：表面波度使得密封端面产生更高的流体动压效果,并减弱上游泵送效果,容易导致密封介质的泄漏;随着波高和周向波数的增加,开启力略有增加;泄漏率随着波高的增加呈现正向增强趋势,但波数对泄漏率没有明显影响;在空化效应和表面波度的影响下,速度剪切产生的密封端面开启力可增加50%以上,并形成流体的完全上游泵送;密封压力和膜厚的增加,使得流体的上游泵送性能和密封性下降。     

表面波度对泵用液体圆孔端面密封泄漏特性的影响

考虑密封端面粗糙度、周向表面波度以及空化效应,建立液体圆孔端面密封分析数学模型,通过数值求解不同圆孔排布方式下液体端面密封的压力分布和泄漏率,分析表面波度几何参数（波高、波数）和密封工况参数（转速、密封压力、膜厚等）对开启力和泄漏率的影响。结果显示：周向表面波度明显改变密封端面压力分布;随着波高的增加,密封泄漏率逐渐增加,并且径向局部开孔端面密封的泄漏率小于径向全开孔端面密封的泄漏率,但当膜厚为2 μm时,密封端面局部开孔时的泄漏率反而较大;在低压工况下,波数对两种排布端面密封的泄漏率无明显影响,随着压力的增加,周向波数使得径向全开孔端面密封的泄漏率逐步减小;液体圆孔端面密封的泄漏明显受到转速、密封压力和膜厚的影响,密封压力增加密封泄漏也增大,而转速和膜厚增加密封泄漏则逐渐减小;在高速下,密封端面圆孔排布方式对密封泄漏影响较小。     

毫米级不同形状方向性孔流体动压特性对比研究

为提高多孔端面密封的流体动压特性,提出了毫米级多孔端面结构.针对密封端面间液膜空化现象问题,运用基于质量守恒的JFO空化理论建立了不同形状方向性孔(圆形、椭圆形、菱形)的理论分析模型,采用有限差分法求解了密封端面间流体膜压的Reynolds控制方程,获得了端面膜压分布图,从而在密封端面内外压差相等(即只考虑动压效应)的情况下对比分析了转速n、方向因子γ、倾斜角β等参数对毫米级不同形状方向性孔的流体动压特性的影响规律.研究结果表明:不同形状方向性孔的流体动压特性存在较大差别,方向因子γ越小、倾斜角β=0°的椭圆孔动压特性最佳,而方向因子γ越大、倾斜角β=45°的菱形孔的动压特性差.该研究方法对多孔端面密封理论和工程实践具有重要的应用价值.     

微孔面积比对微孔端面机械密封泄漏量计算的影响

微孔面积比(微孔面积与计算域面积的比值)对微孔端面机械密封的空化效应影响区和动压效应影响区的影响都大,进而影响到泄漏量积分截面的选择。使用质量守恒的JFO空化边界条件建立微孔端面机械密封泄漏量数值计算模型,讨论微孔面积比对微孔端面机械密封泄漏量计算的影响。结果表明:在微孔端面密封的泄漏量计算时,基于层流的积分方法是有一定限制的,并不适合所有的微孔面积比,当微孔面积比大于一定数值后,就找不到合适的积分截面。对不同的微孔面积比,可通过观察沿径向流量折线图与分布云图,分析动压效应和空化效应对流动状态的影响,确定能否找到合适的积分截面。     

基于流固耦合的接触式机械密封端面泄漏率的研究

由于没有考虑密封环端面变形的影响,采用经验公式计算接触式机械密封端面的泄漏率存在较大的误差。本文考虑了密封端面泄漏率受密封环端面变形的影响,采用ANSYS和MATLAB软件对密封端面泄漏率进行流固耦合数值求解。研究了密封介质压力pi、密封端面压差Δp、弹簧比压psp和密封端面综合粗糙度σ对接触式机械密封泄漏率Q的影响。通过试验,验证了不同密封介质压力下,密封端面泄漏率数值解的正确性。结果表明,考虑密封环端面变形的数值解比经验公式解更接近测量值。密封端面泄漏率随密封端面综合粗糙度和密封端面压差的增大而加速增大,随介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减速增大。本文通过对密封端面泄漏率数值求解,分析泄漏率的影响因素,以期为完善接触式机械密封失效机理起到一定的指导意义。     

部分端面微孔机械密封性能的理论研究

研究了部分端面微孔机械密封的液膜开启力、液膜刚度、泄漏率和摩擦力矩等密封性能的计算方法,并研究了微孔密度Sp、微孔深径比ε、微孔区域比α等密封结构参数对密封性能的影响规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比.结果表明,微孔密度Sp≈0.2、微孔深径比ε≈0.02时,开启力、液膜刚度和泄漏率最大;摩擦力矩随Sp、ε、α的增加而降低.     

波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析

基于流体润滑理论,考虑润滑液膜空化现象和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立波度端面机械密封三维流固热耦合模型,采用SUPG有限单元法求解广义雷诺方程、能量方程和热传导方程,计算端面液膜压力、开启力、泄漏率、摩擦因数等参数,对比分析密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)密封特性。结果表明:随着转速、密封压力、波幅、波数的增加,开启力和泄漏率增加,摩擦因数减小;随着坝宽比、初始膜厚的增加,开启力和泄漏率减少,摩擦因数增加。热效应对密封性能影响显著,随着端面摩擦热升高,润滑液膜压力降低。     

差速浮动式传输密封性能分析

介绍一种新型的非接触式轴端机械密封——差速浮动式传输密封的工作原理及密封机制,根据流体力学的基本原理和静压气体润滑理论,建立传输密封泄漏量、压力分布、摩擦转矩、端面温升、承载能力和液膜刚度的计算公式。利用MATLAB软件对传输密封的性能进行数值模拟,分析密封结构参数和动力参数对密封性能的影响。分析结果表明,端面泄漏量的重要影响因素是端面间隙、液压油的压力波动和液压油的黏度,动环转速对泄漏流量的影响很小;密封间隙中主要以混合摩擦为主,且摩擦转矩与端面压力成正比,与密封间隙近似成反比例关系;密封间隙中的液膜刚度在初始液阻比为1时取最大值,且液膜刚度与端面压力成正比,与密封间隙成反比例关系。     

收敛楔形间隙流体静压机械密封中流场的数值模拟

建立了收敛楔形间隙机械密封流场的数值模型,基于有限体积法,采用流体力学软件Fluent,对密封间隙中的液膜进行三维数值模拟,得到了密封间隙中液膜的压力和速度分布.分析端面各结构参数(如密封面宽、收敛锥角)及操作参数(如转速、压力)对密封性能的影响,并计算得到稳定工况下的工作膜厚及泄漏量.结果表明:收敛锥角越大,泄漏量及开启力越大;最小液膜厚度越大,泄漏量越大,开启力越小;静压密封中轴转速对泄漏量及开启力影响不大.     

综合考虑开启力和泄漏率的机械密封端面椭圆微孔排布评价

在机械密封端面排布不同方向角的椭圆形微孔,对开启力和泄漏率的影响规律不一致,而且在不同工况下,设计者对开启力和泄漏率的需求也不一样,所以应采用双目标评价模型客观评价微孔排布对密封性能的影响。基于Fluent多相流空化模型,建立不同微孔排布方式时的密封间隙流体的三维数值计算模型,研究不同工况下的微孔排布方式对泄漏率和开启力2个密封性能参数的影响,并分别对泄漏率和开启力进行单目标评分;采用加权平均的方法,构造泄漏率和开启力为目标的双目标评价模型,并分析得到不同权重下微孔的最佳排布方式。结果表明:微孔排布方式对泄漏量和开启力的影响规律不一致,泄漏率随着内径侧P型微孔(方向角为45°微孔)数目增加而减小,开启力则在5N5P(即外径侧排布有5个方向角为-45°的N型微孔,内径侧排布有5个P型微孔)排布时取得极大值;综合考虑不同方向角的椭圆形微孔排布对开启力和泄漏率的影响,获得最佳排布方式在5N5P和0N10P之间,较高转速和低压差时,内径侧P型孔数可以偏少,高压差或者设计者更看重泄漏率时,内径侧P型孔数应该偏多。     

阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行CFD流体仿真分析。结果表明：工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。     

超高速涡轮泵机械密封热弹流润滑特性研究

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明：超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。     

基于灰色关联度的微孔端面机械密封开启力共性影响参数分析

目前微孔端面机械密封采用的几何参数繁多,缺乏明确物理意义。为找出跨孔型的共性几何参数,基于Fluent多相流空化模型,针对矩形孔、菱形孔、椭圆孔端面机械密封,建立密封间隙流体的三维数值计算模型,计算得到144条开启力数据;在分析开启力和几何尺寸之间的关系、额外开启力产生机制的基础上,提出等效长度和等效宽度2个具有物理意义的几何参数;采用灰色关联度分析法,分析和验证等效长度、等效宽度、方向角、面积比对开启力的影响,发现4个因素对3种微孔密封的间隙流体开启力都有影响,但等效长度与等效宽度的影响较方向角、面积比大。     

含气介质用机械密封端面两相流动特性*

气液混输条件下,密封腔内的含气率较高将会使得密封液膜中有气体进入,从而导致密封环出现“失稳”现象。为探讨含气介质对机械密封性能的影响,通过建立端面螺旋槽型液膜模型,基于Mixture多相流模型,对端面液膜中气液两相分布及机械密封密封性能进行研究。结果表明：液膜内气相体积分数随气泡直径的减小而增大;不同入口含气率下密封端面两相分布规律相近,含气率较高的位置出现在槽根半径处;随着含气率、转速、压差的升高,〖JP2〗槽根处的压力随之升高,从而影响密封性能;在相同含气率、转速及压差下,随膜厚的增加,泄漏量增大,开启力减小,且较小的膜厚对工况参数的改变更为敏感,槽深与膜厚的相关性较强,优化机械密封结构时需综合考虑两者的影响。