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。     

基于热力耦合的镶嵌式机械密封端面变形分析

以镶嵌式机械密封为研究对象,通过受力分析和热传导方程,将热、力两个物理场进行耦合求解,建立机械密封动环组件热力耦合仿真模型。基于热力耦合模型计算不同应力情况下端面变形量和不同过盈量下的结合面接触应力、端面变形量,并分析动环厚度对端面温度场、应力分布以及端面变形量的影响。结果表明,热应力对端面变形的影响大于结构应力,故不能忽略热应力对机械密封组件的影响;动环过盈量增大使得端面变形量和结合面接触应力逐渐增大,动环厚度的增大使得最大温度呈下降趋势,最高温度出现在动环内径处,端面间隙由收敛型转变为发散型。因此,在对机械密封结构进行设计时,采用较小的过盈量和动环厚度,可以减少动环端面的变形量。     

高温热油泵机械密封流固热耦合特性研究

高温热油泵具有输送介质温度高、传导热量大等特点,采用现有热量估算方法对其机械密封热量进行计算有较大的误差。利用FLUENT软件采用流固热耦合的方法研究了高温热油泵机械密封的传热特性及其热源热量;经对比分析,高温热油泵机械密封的热量主要来源于轴和腔体传导热。分析了不同轴径对高温热油泵机械密封传导热、摩擦热和搅拌热的影响规律;计算了高温热油泵机械密封热平衡冲洗量。针对高温热油泵机械密封的高温工况,提出了一种机械密封传导热系数的修正拟合方法,经算例验证,拟合公式计算结果与模拟值接近,最大误差为2.4%。     

剖分式机械密封传热及耦合变形的数值研究

为研究剖分式机械密封变形规律,建立剖分式机械密封三维传热模型,计算剖分环端面摩擦热、摩擦热分配系数及对流换热系数,研究主轴转速、冲洗量对剖分环温度场、热变形及热-力耦合变形的影响,同时分析箍紧力对剖分环热-力耦合变形的影响。研究结果表明:温度最高点位于密封端面内径侧,且碳石墨剖分静环的密封端面温度比碳化硅动环的高,密封端面和分型面在温度场作用下产生正锥度变形,而箍紧力可以减小密封端面及分型面的变形;剖分动静环的端面和分型面热变形锥度随转速的增大,均呈现增大趋势,端面的耦合变形锥度也随之增大;冲洗量增大,剖分动环端面和分型面热变形锥度减小,端面耦合变形锥度减小,剖分静环变形规律相反;箍紧力增大,剖分动环、静环端面耦合变形锥度增大。     

喷油润滑型激光脸机械密封试验研究

针对航空发动机附件机匣传动轴端机械密封易提早失效的问题,提出在其端面开设激光脸槽型的改进方法,采用试验手段研究在喷油润滑条件下,激光脸机械密封的摩擦磨损特性、热特性及泄漏情况。自主设计可模拟喷油润滑工况的机械密封试验工装,定制可进行润滑油加热的集成型液压站作为辅助系统,分别进行变工况运转试验和长时稳态工况试验。结果表明：在变工况以及稳态工况运转条件下运转后动、静环端面均无明显磨损;在介质温度较为稳定的情况下,动环和轴套温度均能保持稳定;在整个试验过程中,机械密封均无泄漏发生,表明激光脸机械密封在喷油润滑工况下具备良好的热特性和密封效果。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。     

激光加工多孔密封端面的摩擦性能试验研究

对激光加工多孔密封端面的摩擦性能进行试验研究。试验在专用试验台上进行,不同转速条件下测量不同微孔深度和微孔密度的激光加工多孔密封端面的摩擦扭矩和端面温升,并与普通密封端面进行比较。结果显示,转速、微孔深度和微孔密度对摩擦扭矩和端面温升有很大影响;对于一定的微孔直径,优化微孔深度和微孔密度值,可使摩擦扭矩和端面温升最小。试验结果说明机械密封的微孔端面结构可显著改善密封环的摩擦性能。     

基于MATLAB的混合摩擦工况下机械密封动态特性研究

考虑机械密封动环和静环端面的粗糙度,同时考虑动环和静环端面摩擦生热和两端面问液膜的粘性热作用,建立了混合摩擦工况下机械密封的数学模型,并结合ANSYS与MATLAB软件对模型进行求解.结果表明:机械密封在启动过程中密封端面内侧温度不断升高,热膨胀作用使得接触压力逐渐增大;外侧温度也有所增加,但增加的速度较内侧慢,内外侧的温差逐渐增大;液膜厚度由内向外逐渐变大,总的液膜力逐渐增大,而总的接触力逐渐变小,接触区域也随之减小,当密封环达到热量平衡时,机械密封也达到平衡状态.     

船舶艉轴机械密封温度场与热变形分析

船舶艉轴机械密封在运转时,密封环端面温度的分布及热变形对密封的泄漏有重要的影响。为了提高机械密封的密封性,采用有限元分析方法,运用整体法和分离法对机械密封的动、静环的温度场、热变形进行分析,研究在不同主轴转速下端面温度的变化情况。分析表明:机械密封端面的最高温度出现在接触区域的中间,并向内、外两侧递减;端面摩擦热与主轴的转速有密切的关系,转速越大,产生热量越多,温度越高;密封环的导热系数也对端面温度也有影响,导热系数越高,端面最高温度会越低;端面热变形量内径处大于外径处。     

基于逾渗理论的接触式机械密封泄漏特性分析

以接触式机械密封动、静环接触界面为研究对象,分析其表面微观形貌中的自仿射分形特性,结合逾渗理论,对密封端面泄漏通道特性进行理论分析,并利用Fluent软件对微通道内的流体流动进行数值模拟,探讨机械密封的端面载荷、表面形貌参数对泄漏量的影响。研究结果表明,密封端面的泄漏量随密封端面分形维数的增加而降低;在某一确定分形维数下,随着表面轮廓尺寸系数的增大,泄漏率也相应增大;端面比载荷对机械密封泄漏率的影响存在但并不显著。逾渗理论是一种研究多孔介质的强无序及随机几何结构端面特性的较好方法,对实现机械密封工作状况的正确判断,指导机械密封件的设计、制造、使用和维修具有一定的指导意义。     

基于ANSYS的高压机械密封温度场理论研究

根据热平衡方程推导出高压机械密封中的温升计算公式,并建立了机械密封件温度场的有限元模型,利用ANSYS分析软件求解密封环内部各节点的温度。根据温度场分布图,对影响密封环热影响的主要因素进行了讨论。结果表明:密封端面温度最高且靠近内径方向,应通过改善散热和加强冷却防止因摩擦热使正常压力下的液膜流体达到沸点并汽化;密封介质压力、密封端面的平均直径和转速的增加都会使摩擦热增加,从而使密封端面温度升高;不同密封介质的摩擦因数和传热系数会造成不同的温升;导热率越高扩散热量也就越多,选择导热率高的密封材料能有效地降低密封环温度。     

斜直深槽机械密封环端面变形研究

深槽密封是通过力变形和热变形在密封面形成周向的波度和径向的锥度,从而产生热流体动力楔效应。通过热平衡分析和模型简化,应用有限元软件建立斜直深槽机械密封有限元分析模型,并对密封环温度场、力热变形进行求解,获得斜直深槽密封环的温度分布规律以及热变形规律。分析结果表明:斜直深槽密封端面结构产生的变形,能够形成周向波度和径向锥度,能够产生一定的流体动压效应,但规则波形的产生同流体槽的结构参数有关,需针对具体的工况参数进行相应的优化设计,方能达到所需要的流体动压效果。     

Observation of Contact Conditions in Mechanical Face Seals

A unique contact probe/thermocouple has been built for studying characteristics of small patches of solid-to-solid contact at the sealing interface of mechanical face seals during seal operation. The probe was used to determine the number, size, location, and surface temperature of contact patches over a range of seal velocities. Both dry and liquid-lubricated conditions were studied, and three different metallic seal ring materials were tested. It was found that small, discrete contact patches are, indeed, present on the contact interface, that the patches tend to be stationary with respect to the metallic seal ring, whether that ring is stationary or rotating, and that the size and temperature of the contact spots are influenced by operating velocity and by the thermal, elastic, and wear properties of the seal materials.     

基于Pro/E平台下的机械密封热变形分析

利用Pro/E的热力学分析对机械密封的动环进行有限元分析,通过对密封环摩擦热、搅拌热等因素的分析计算,分析密封环端面温度对密封环结构变形的影响。结果表明:内流式机械密封端面温度径向呈近似抛物线分布;密封环内的温度梯度使密封环产生热变形,导致形成圆锥型的端面;热变形会使密封环产生内应力。     

油泵用机械密封摩擦副界面热-结构耦合分析

以热-结构耦合数值计算理论为基础,同时施加温度和力载荷边界条件,对处于高速、高压等高参数极端工况热油泵用波纹管机械密封装置摩擦副界面进行了热-结构耦合数值建模与计算分析。研究了密封环摩擦副界面的温度场特点及温度、热应力分布规律,分析了密封环在温度载荷和力载荷耦合作用下密封环的变形情况。结果表明:最高温度产生在摩擦副内径处,最大热变形在摩擦副外径处;动静环配对材料的导热系数越大,产生的最高温度就越小;在摩擦副的外径侧产生的变形有利于形成收敛型间隙。     

参数化机械密封中静环摩擦副相容性设计方法*

高温、高压、高速等极端工况对机械密封的设计提出了更高的要求,在对高参数机械密封结构、使用工况及受损件分析的基础之上提出静环摩擦副的相容性设计方法。该方法的核心是在设计过程中考虑机械密封静环摩擦副石墨和不锈钢的相容性问题,相容性的判断依据是石墨环所受热应力是否超过其机械强度许用值。建立静环摩擦副的有限元仿真模型,通过实例对静环摩擦副的相容性问题进行了说明。研究结果表明：通过相容性设计可以调整机械密封静环摩擦副石墨环所受的热应力,减少高参数工况下机械密封失效问题的发生。     

基于ANSYS的机械密封副温度场模拟

机械密封中,密封副端面的温度对整套密封装置的安全性、稳定性起着关键作用,为了模拟实际工况下密封副端面温度场的变化,建立了机械密封副的传热模型,在合理的假设条件下,通过相关计算,确定了动环、静环各自传递的热流率密度、与密封流体的对流传热系数以及冲洗流体的影响等关键参数,最后利用有限元分析软件ANSYS10.0进行了数值计算,得到了密封副温度场的变化规律、最大值及其位置,认为冲洗是降低密封端面温度的一种有效措施,为机械密封方案的设计提供了理论依据。     

橡胶油封摩擦生热数值模拟与实验验证*

将橡胶油封使用中涉及的材料非线性、几何非线性和接触非线性考虑到轴对称有限元模型中,采用力场-温度场耦合的方法对油封与高速旋转轴之间的摩擦生热问题进行数值模拟,并与油封工装试验结果和红外成像仪测量的温度进行比较。模拟得到的油封摩擦扭矩和唇口温度与试验结果吻合很好,表明采用力场-温度场耦合方法可以预测油封的抱轴力和摩擦扭矩,以及稳态下的摩擦生热温度场,这为类似旋转密封件摩擦生热问题的仿真分析提供一种有效途径。     

基于ANSYS的机械密封副的温度分析

研究了机械密封副的稳态温度场,在合理的假设条件下,建立了机械密封场的温度数学模型。通过计算,求得相关的热流密度与对流换热系数,然后利用ANSYS13.0软件进行运算。着重考虑了介质流量和弹簧比压对温度场的影响,为机械密封的设计提供了理论依据。     

Experimental Results for a Heat-Sink Mechanical Seal

This work presents experimental results for a heat-sink mechanical seal installed in a 1 × 1.5 × 6 in. ANSI centrifugal water pump. The heat-sink seal is constructed of a stainless steel substrate with an electrodeposited pin fin micro-heat sink located within 3 mm of the end face. Each pin has a ten-sided polygon cross section with a flat-to-flat diameter of 675 μm, a height of 856 μm, and a 300-μm edge-to-edge spacing. The end face is coated with a WC thin film that forms the wear surface for the rotating ring. The heat-sink seal's effectiveness is demonstrated in a significant reduction of both the seal interface and seal chamber temperature when compared to a similar industry standard seal. The heat-sink seal removes 750 W of heat and reduces the stationary ring temperature by 80°C under dead-head conditions using only 1.6 W of coolant pumping power.