节流孔特性对静压干气密封性能的影响

为提高静压干气密封性能,将节流孔流量项引入到气膜润滑方程,建立改进的N-S方程。利用泛函求极值算法和有限元法,用MATLAB编制相应的计算程序,在节流孔直径和端面间隙变化的条件下进行数值计算,分析气膜厚度、气源压力、节流孔个数和直径对端面开启力和气膜刚度的影响,以及端面压力分布情况。计算结果表明:密封气在流经节流孔后形成显著的压力降,气膜刚度随节流孔径增大而减小,随气源压力增大而增大;端面压力在节流孔处最高,向四周逐渐下降;开启力总体随端面间隙增大而减小,随气源压力增大而增大,端面间隙在2.6~10μm时,开启力随间隙增大而迅速减小,端面气膜具有较大的刚度。     

超临界二氧化碳干气密封稳态性能研究

以超临界二氧化碳(S-CO₂)干气密封为研究对象,建立变黏度变密度雷诺方程,通过构建物性数据库的方式对黏度及密度进行处理,并采用有限差分法对控制方程进行求解,得到端面压力分布,并计算开启力、泄漏量、摩擦扭矩和气膜刚度等稳态性能参数。结果表明:随着压力、转速的增大,开启力、泄漏量、摩擦扭矩、气膜刚度等参数均增大;随着槽坝比和槽深的增加,开启力、泄漏量和气膜刚度均增大,摩擦扭矩减小;随着槽数的增加,各稳态性能参数均减小;将槽坝比控制在0.5～1的范围内,有助于提高密封稳定性。     

狭缝节流空气静压轴承局部气膜流场的直接数值模拟

采用3阶精度的迎风格式及2阶精度的中心差分格式,直接求解二维非定常N-S方程组,研究狭缝节流空气静压轴承压降恢复之后区域的流场特性。使用雷诺方程计算相同位置气膜中心处的流场状态,并与直接数值模拟方法的计算结果进行对比。结果表明:雷诺方程与N-S方程在计算域内计算结果基本一致,两者压力偏差为0.173%,速度偏差为1.217%;流场压力、密度沿气流方向逐渐减小,但在气膜方向几乎不变;流场速度、压力梯度沿气流方向逐渐增加,速度在流场出口处达到最大值;直接数值模拟方法得到了流场的温度变化,即整个流场的温度变化很小,温度整体呈上下高、中心低的分布,而雷诺方程无法计算得出整个流场的温度变化情况;采用雷诺方程计算轴承压降恢复之后区域的流场是合理的。     

静压式干气密封温度场数值模拟及试验研究*

密封环端面温度是影响静压式干气密封性能的重要因素,可以直接表征密封的工作状态。采用有限元分析软件,通过求解传热方程的方法,建立静压式干气密封环的温度场分析模型,分析异常接触条件下与正常工作条件下密封环端面的温度分布及特点。结果发现：异常接触条件下的密封环端面温度比正常工况条件下高约766%;膜厚增加会使密封环端面温度小幅下降,转速增加会使密封环端面温度大幅升高;腔体压力升高会使端面温度小幅下降,腔体温度升高也会使端面与腔内温差增大。分析温度场对密封性能的影响,发现随着温度的增加,密封开启力缓慢增加,而泄漏量和刚度均有所下降。提出通过温度监测的方式对密封运行状态进行实时监控的方法,并通过试验验证了该方法的可行性。     

低速干气密封稳态响应数值分析

利用Newmark算法求解低速干气密封运动方程,分析不同膜厚和动环初始角偏差下动环运动轨迹、进动角和角偏差随时间的变化。结果表明,随着膜厚或者动环初始角偏差的减小,密封运行过程中动环的扰动逐渐减弱,运动轨迹相应减小且轨迹中心逐渐趋近于静环中心;动环进动角对静环角追随能力大大提高,自身波动幅值明显减小;动环角偏差对静环角偏差的追随能力显著提高,自身波动幅值亦明显减小,致使密封端面发生接触的概率大大下降。     

单狭缝节流径向静压气体轴承的静态特性研究

Fluent软件对单狭缝节流径向静压气体轴承的静态特性进行三维建模计算,研究了轴承长径比、节流狭缝宽度、节流狭缝深度、气膜厚度等对轴承静态特性的影响规律,得到以下结论:1在轴承各参数确定的情况下,当轴承的长径比取1.6时轴承具有较高的承载力和刚度;2狭缝宽度大于8μm时,狭缝宽度越大,轴承的承载、刚度越小,耗气量越大;3节流狭缝深度越大,轴承静态特性越佳,但综合考虑制造难度,狭缝深度在20 mm时最佳;4气膜厚度存在最佳承载和刚度状态值;5偏心率为0.1~0.4时,轴承的刚度取得最大值,承载随偏心率的增大而增大,耗气量则相反。     

多微通道式气体静压节流器性能初探

气体静压节流器的刚度与稳定性之间是一对矛盾。为提升节流器气膜刚度并保证流场稳定,设计并制作了多微通道式气体静压节流器。利用FLUENT及TECPLOT软件分析该节流器内部流场及压力分布,调整供气压力,结合实验参照组,对该节流器进行静态性能测试实验,得到承载力与气膜刚度的比较曲线。仿真结果表明,该节流器具有渐变、稳定的内部气膜流场。实验结果表明,外形尺寸为φ80mm×20mm的多微通道式气体静压节流器在供气压力为0.5MPa时可测得最大承载力与气膜刚度,且最大承载力为708.4N,最大气膜刚度值为59.236N/μm。静态性能整体优于被测的其他节流器。     

仿树形槽干气密封稳态性能分析*

针对经典螺旋槽干气密封在反向旋转时动压效果较差,易遭受磨损、失稳等问题,提出一种新型双向旋转式仿树形槽。首先应用SolidWorks软件建立气膜三维模型,然后应用ICEM软件进行网格划分,最后在Fluent软件里对流场进行仿真模拟,将不同膜厚、槽深、转速等参数下开启力、泄漏率的计算结果与螺旋槽进行对比。结果表明：仿树形槽相较螺旋槽可产生明显的动压效应,且开启力较大,但其泄漏率较高,其中仿树形槽膜厚取2 μm,槽深取5~7 μm时,密封性能较好;膜厚和槽深对密封性能有较大的影响,干气密封开启力随膜厚增大而减小,随槽深的增大而增大;压力和转速增大2种槽型开启力都随之增大,但相比螺旋槽,仿树形槽密封性能受转速影响更小,且具有更好的开启效果。仿树形槽在实现双向旋转的同时也具有较好的密封性能,为双向旋转式干气密封槽型的设计提供一定的参考。     

螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟

应用计算流体动力学分析Fluent软件对螺旋槽干气密封润滑气膜特性进行数值模拟,得到气膜流动场的压力分布、泄漏量、气膜开启力等特性参数;模拟数据与试验数据进行比较,并分析两者存在误差的原因。结果表明,随着转速、介质压力的增大,螺旋槽干气密封气膜压力、开启力、泄漏量也增大;该模拟方法的模拟结果与实验结果基本一致,可用于螺旋槽干气密封的优化设计。     

狭缝节流气体静压润滑方程式的离散化和相容性条件

提出了一种将常用不同结构形式的狭缝节流气体静压轴承基本方程式的相容变换条件,把结构种类繁多的狭缝节流气体静压轴承的分析,变换成统一的等价标准形式轴承的计算,使自动化编程成为可能。还利用加权余量法把偏微分方程式离散化,把二阶偏微分方程降阶为一阶,放松了对插值函数连续度的要求,便于借助有限元技术分析狭缝节流气体静压轴承的流场参数,给出了计算轴承承载特性的方法。同时,将该方法成功地应用于动压轴承的计算中。     

干气密封端面平衡间隙的研究

为了确定干气密封端面平衡间隙的数值,基于N-S方程、层流模型、SIMPLEC算法,对干气密封端面流场进行数值模拟,获得端面气膜开启力的数值。将开启力和闭合力变化曲线同时绘出,两曲线交点所对应的端面间隙即为该干气密封的端面平衡间隙值。以某泵用干气密封为例,介绍了闭合力和开启力的计算,确定出该干气密封的端面平衡间隙。结果表明,干气密封端面平衡间隙值应取在开启力随间隙变化幅度较大的小间隙区域,且端面平衡间隙应在泄漏量不超标的前提下,尽量取得大一些,使密封端面接触和摩擦可能性和程度降到最低,从而提升干气密封运行稳定性。     

干气密封启动过程研究

为了深入研究干气密封启动过程,提高密封启动稳定性,基于N—S方程、Laminar模型和SIMPLEC算法,在动环转速和端面压差变化的多种情况下,对于气密封端面流场进行了数值模拟,重点考察了端面开启力的构成及变化情况。数值结果表明,在密封启动过程中,转速上升到一定数值后,端面才能脱开,而流体动压力是影响端面脱开的主要因素,在脱开前两端面间存在严重摩擦和磨损,会对端面造成破坏。针对此提出研究一种能减小或消除启动过程中端面接触时间的新型密封。     

基于滑移边界的干气密封的数值模拟

根据微小尺度流动的特性,引入滑移边界条件,对干气密封进行了数值模拟,得到了比非滑移边界杀仟布Ⅱ假设流体为层流时更为精确的压力场分布。结果表明,干气密封压力最高的位置处于坝区的迎风面,气体在螺旋槽内的压力由外径向内径逐渐升高,其中在螺旋沟槽和密封坝之间的过渡区存在较大的压力降;滑移边界条件下的模拟结果具有良好的周期性,各个周期的过渡性也更加平滑,与实际情况更加接近。     

气体端面密封试验设备

气体端面密封试验台由传动系统、润滑系统、供气系统以及测量系统组成。考虑到气膜厚度的变化对密封稳定性等密封性能的影响很大,重点对气膜厚度的测量进行了介绍。     

串联式干气密封的设计及其在液态烃泵上的应用

对液态烃泵用串联式干气密封的结构进行了优化，从理论上对影响干气密封性能的主要参数进行了研究。并设计制造出了适合轻烃类介质的串联式干气密封及其控制系统。工业运行获得成功，极大地提高了液态烃泵的性能及可靠性。     

螺旋槽狭缝节流动静压气体止推轴承静态特性

为优化动静压气体止推轴承的承载特性,设计一种具有螺旋槽和狭缝节流器结构的动静压气体止推轴承,采用Fluent对轴承静态特性进行仿真分析,通过改变主轴转速、供气压力,研究气膜厚度、螺旋槽宽度、狭缝厚度等参数对轴承静态特性的影响。结果表明:相对狭缝节流止推轴承,增加螺旋槽结构可以提升轴承的动压效应增强,从而提升轴承的承载力和刚度;相同条件下,气膜厚度越大,轴承的承载力和刚度越小;主轴转速和供气压力增加,承载力和刚度均提升明显;螺旋槽宽度增加,轴承的承载力和刚度先增大后减小;狭缝厚度增大,轴承的承载力先增大后不变,刚度先增加后减小;狭缝深度提升,轴承的承载力减小,刚度先增大后减小。     

基于定向微纹理效应的梯形槽干气密封性能分析

为解决传统双向旋转型干气密封较单向旋转型开启性能下降、密封效果减弱的问题,基于气体微尺度流动原理,提出一种具有定向微纹理槽底的梯形槽干气密封结构;利用数值方法对比研究不同方向微纹理及无微纹理结构的性能,证实定向微纹理设计的可行性,并确定V形为纹理最佳方向;系统分析工况参数和几何参数对V形纹理干气密封性能的影响,获得各参数的影响规律及优势区间。研究结果表明:V形纹理的开启性能最好,然后依次为无纹理、周向纹理、径向纹理、梯形纹理,且转速越大,5种结构开启性能差异越显著;高转速时泵送效应较强,具有节流抑漏效果;微纹理密度对密封性能影响微小,深度达到1～2μm即可获得优异的密封性能;小膜厚时微纹理影响显著,对应最优槽深较小。研究结果为双向旋转型梯形槽干气密封性能的提升和槽区激光加工扫描方向的选取提供新的思路理论依据。     

螺旋槽干气密封数值模拟网格独立性分析

对干气密封性能进行数值模拟时,计算网格的独立性非常重要。以螺旋槽干气密封为例,研究网格层数对干气密封数值模拟结果的影响。选择相同面密度的网格,在保证其正交质量的前提下,以端面开启力和气体质量泄漏率的相对变化率作为网格独立性检验的参考量,分别通过增加螺旋槽内膜厚和非槽区膜厚网格层数,考察网格层数对螺旋槽干气密封数值模拟结果的影响。结果表明:槽深为5~9μm,非槽区膜厚为1~6μm时,非槽区膜厚网格层数对数值模拟结果的影响明显大于槽内膜厚层数;螺旋槽内膜厚网格为每微米1层,对应非槽区膜厚网格层数分别为7、8和10时,开启力和气体质量泄漏率的相对变化率均分别低于2%、1%和0.5%。     

干气密封在循环氢压缩机上的应用

从理论上对T型槽干气密封的作用机理进行了研究,并对干气密封控制系统及投用时注意的问题进行了分析。该密封工业运行获得成功并取得了可观的经济效益,极大提高了加氢装置核心设备循环氢压缩机运行的可靠性。     

新型组合槽端面干气密封特性研究

为了进一步提升干气密封端面流体膜动压效应,提出一种新型组合槽端面干气密封,该组合槽由两个相邻的螺旋槽周向部分重叠组合而成,包括一个长螺旋槽,一个短螺旋槽,两槽的槽深及径向长度不同。建立该组合槽与传统槽端面密封的数学模型,并运用有限差分法对其密封性能进行数值分析。结果表明:新型组合槽在端面间隙约小于1.5μm区域,流体膜开启力大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大;泄漏量亦大于传统槽,但其值远小于泄漏量的设计值;在端面间隙约小于3.5μm区域,新型组合槽流体膜刚度显著大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大。鉴于组合槽在泄漏量不超标的情况下,在间隙较小时端面流体膜具有更大的刚度、开启力及刚漏比,其综合性能显著优于传统槽型密封。