液膜密封非定常工况下的瞬态特性

运行工况的瞬时变化严重影响密封性能。利用Matlab建立密封环端面间隙液膜三维模型,采用有限差分法离散基于JFO空化边界条件的雷诺方程,应用SOR迭代求解液膜压力分布,进一步耦合求解雷诺方程与瞬态动力学方程,分析工况连续变化及压力扰动对密封瞬态特性的影响。结果表明:相比于转速瞬时变化,压力瞬时变化过程中挤压效应对密封性能的影响更为显著,密封端面趋近速度越大,由液膜挤压产生的承载能力越高,端面流体被排出的速度越大;压力瞬时变化易引发静环轴向速度振荡,压差越大,振荡幅值越大;压力扰动情况下,空化率与泄漏量急剧突变后趋于稳定,压力突升相比于压力突降更易恢复稳定状态;摩擦扭矩在变工况过程中平稳变化,无较大幅度波动。     

瞬态启停机械密封轴对称动力学模型与密封行为分析

启停过程顺利与否直接关系到机械密封的可靠和长寿命运行。考虑密封端面流固力耦合作用、微观空化及端面接触的影响,通过建立机械密封瞬态启停动力学模型,计算瞬态启停过程中密封浮动环的轴向位移、密封端面液膜厚度变化、端面接触力及泄漏率等密封参量,研究了机械密封启停过程中的瞬态密封行为,分析了动环轴向跳动等对机械密封性能的影响。结果表明：受轴向跳动和启停过程速度变化的影响,密封参量呈现瞬态扰动现象,且轴向跳动越大,扰动越大。该模型和计算方法对完善机械密封设计方法、评价机械密封设计合理性具有一定的参考价值。     

边界压力波动对液膜端面机械密封空化及性能的影响

泵在流量调节、流体激振等工况下会发生大范围的压力波动,易导致机械密封“失稳”,影响泵体安全运行。本文通过建立螺旋槽型三维液膜模型,采用Mixture多相流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,探究边界压力波动对密封液膜端面空化及密封性能演变规律。结果表明,边界压力波动工况下,气相体积分数波动与压力波动之间存在相位差;相比于外径侧压力波动,内径侧压力波动对端面空化的影响较大;外径侧压力波动对密封性能的影响较小且跟随性较好,内径侧压力波动工况则相反;此外,内径侧压力波动工况下,临界压力使得气相体积分数为0且临界压力与波动周期有关,端面空化消失致使密封性能曲线急剧变化。基于边界压力波动对液膜密封的影响研究,泵用机械密封应采取旋转式密封形式（压力波动作用在外径侧）,以减小泵内压力波动对机械密封产生的影响。     

端面变形对液体动压型机械密封液膜瞬态特性的影响

建立动环-液膜-静环动压型机械密封双向流固耦合模型,针对逆流泵送状态,对密封环及液膜流场进行非定常耦合计算,分析了密封环变形和液膜压力的瞬态特性,并通过流固耦合前后流场对比,分析了密封环端面变形对液膜压力脉动的影响。研究结果表明：与未考虑变形时相比,双向流固耦合计算结果更加符合实际;静环端面变形随时间呈周期性变化,且越靠近内径出口处,变形量的波动程度越大;密封环端面变形对外径处压力脉动影响较小,但会明显增强内径处压力脉动,且转速越大,压力脉动增强的程度越大,介质压力在压力较低的工况下对变形后液膜压力脉动程度的影响不明显;密封环端面的变形只影响压力脉动的程度,不改变压力脉动的频率。     

端面变形对液体动压型机械密封液膜瞬态特性的影响

建立动环-液膜-静环动压型机械密封双向流固耦合模型,针对逆流泵送状态,对密封环及液膜流场进行非定常耦合计算,分析了密封环变形和液膜压力的瞬态特性,并通过流固耦合前后流场对比,分析了密封环端面变形对液膜压力脉动的影响。研究结果表明:与未考虑变形时相比,双向流固耦合计算结果更加符合实际;静环端面变形随时间呈周期性变化,且越靠近内径出口处,变形量的波动程度越大;密封环端面变形对外径处压力脉动影响较小,但会明显增强内径处压力脉动,且转速越大,压力脉动增强的程度越大,介质压力在压力较低的工况下对变形后液膜压力脉动程度的影响不明显;密封环端面的变形只影响压力脉动的程度,不改变压力脉动的频率。     

非规则V形表面织构化机械端面密封性能研究

针对一种新型非规则V形表面织构化机械密封端面,建立了界面液膜的润滑模型,采用有限单元方法求解雷诺方程,研究了表面织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力对端面密封的承载力、泄漏率、摩擦因数和液膜刚度等密封性能参数的影响规律,并对经典三角形织构和圆形织构化端面密封进行了对比分析。结果表明：端面新型非规则V形织构具有收集和汇聚液膜的作用,增强了动压效应;织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力的变化对V形与三角形表面织构的密封性能影响较大,而对圆形织构表面的密封性能影响不明显;在研究几何和工况参数范围内,这种新型V形表面织构的机械密封性能相对较优,其承载力、摩擦因数与液膜刚度均略优于三角形织构,远优于圆形织构,研究结果可为织构化端面密封的设计开发提供支持。     

基于JFO空化和幂律模型的螺旋槽液膜密封流体动压特性

密封端面间润滑流体的非牛顿特性对密封的性能有重要影响。基于满足质量守恒的JFO空化边界条件及描述流体非牛顿特性的幂律模型,建立了考虑流体非牛顿特性的螺旋槽液膜密封数学模型。采用有限差分法对控制方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到了密封端面液膜压力分布。探讨了润滑流体的非牛顿特性对螺旋槽液膜密封的液膜承载能力、泄漏量、摩擦扭矩等性能参数及液膜中空化发生情况的影响规律。结果表明：随着幂律指数的增大,液膜承载能力先增大后减小,泄漏量和空化率增大,摩擦扭矩减小;幂律指数为0.96时,相对于牛顿流体,液膜承载能力提升约4.6%,密封端面空化率下降约98.6%,泄漏量下降约5.8%,摩擦扭矩增加约0.3%;随着操作参数的改变,不同幂律指数下的流体动压性能参数变化规律具有相似性;润滑流体的合理选择对液膜密封性能改善有重要意义。     

基于JFO空化和幂律模型的螺旋槽液膜密封流体动压特性

密封端面间润滑流体的非牛顿特性对密封的性能有重要影响。基于满足质量守恒的JFO空化边界条件及描述流体非牛顿特性的幂律模型,建立了考虑流体非牛顿特性的螺旋槽液膜密封数学模型。采用有限差分法对控制方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到了密封端面液膜压力分布。探讨了润滑流体的非牛顿特性对螺旋槽液膜密封的液膜承载能力、泄漏量、摩擦扭矩等性能参数及液膜中空化发生情况的影响规律。结果表明:随着幂律指数的增大,液膜承载能力先增大后减小,泄漏量和空化率增大,摩擦扭矩减小;幂律指数为0.96时,相对于牛顿流体,液膜承载能力提升约4.6%,密封端面空化率下降约98.6%,泄漏量下降约5.8%,摩擦扭矩增加约0.3%;随着操作参数的改变,不同幂律指数下的流体动压性能参数变化规律具有相似性;润滑流体的合理选择对液膜密封性能改善有重要意义。     

非规则V形表面织构化机械端面密封性能研究

针对一种新型非规则V形表面织构化机械密封端面，建立了界面液膜的润滑模型，采用有限单元方法求解雷诺方程，研究了表面织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力对端面密封的承载力、泄漏率、摩擦因数和液膜刚度等密封性能参数的影响规律，并对经典三角形织构和圆形织构化端面密封进行了对比分析。结果表明：端面新型非规则V形织构具有收集和汇聚液膜的作用，增强了动压效应；织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力的变化对V形与三角形表面织构的密封性能影响较大，而对圆形织构表面的密封性能影响不明显；在研究几何和工况参数范围内，这种新型V形表面织构的机械密封性能相对较优，其承载力、摩擦因数与液膜刚度均略优于三角形织构，远优于圆形织构，研究结果可为织构化端面密封的设计开发提供支持。     

疏水表面的自密封性对机械密封性能的影响

液体润滑机械密封正常运行时,端面间的膜厚一般为1～15μm,液体表面张力对密封性能的影响不可忽略.本文以激光加工多孔端面机械密封(LST-MS)为研究对象,提出了疏水型面的几何结构模型,从理论上证明了疏水型面的自密封性;采用有限元方法求解雷诺方程,分析了密封介质表面张力系数在不同转速、不同介质压力等操作条件下对端面液膜...     

机械端面密封反向螺旋槽空化效应与泄漏控制机理

针对机械端面密封的反向螺旋槽结构,基于遵循质量守恒的JFO空化边界条件,采用SUPG有限元方法求解Reynolds方程,研究了反向螺旋槽的空化效应,基于此,提出了一种新型的正反向螺旋槽组合端面密封结构,分析了不同工况条件下的密封性能。结果表明：反向螺旋槽区域易发生液膜空化,周期性分布的空化区会显著影响端面流场,空化区的低压力可将内径侧流体抽吸到密封端面,实现上游泵送。新型正反向螺旋槽端面密封结构结合了反向螺旋槽产生的泄漏控制作用和正向螺旋槽产生的流体动压效应,同时具备良好的上游泵送能力和动压承载能力。     

双列螺旋槽液膜密封相变现象及性能

为了探究相变现象对密封性能的影响规律,通过联立N-S方程与质量输运方程,建立了液膜密封相变模型,使用有限体积法对控制方程进行离散,对双列螺旋槽液膜密封相变现象进行了仿真模拟,获得了液膜流线及相态分布并分析了结构参数对相变区域与密封性能的影响。结果表明：液膜发生相变后物性参数发生变化,密封间隙内流场与端面压力分布发生明显改变。内侧螺旋槽可以提供稳定的开启力并保证密封端面处于较好的润滑状态,但同时导致密封泄漏增加。通过减小外侧螺旋槽槽面宽比、槽台宽比、螺旋角、槽深或增大外侧螺旋槽槽数均可降低密封泄漏量,提升密封性能。     

空化热效应对上游泵送机械密封润滑性能的影响

机械密封端面空化现象是影响机械密封润滑性能的重要因素。采用计算流体动力学方法,基于Antoine公式,建立了考虑空化热效应的计算流体动力学模型,并与常用的仅考虑端面液膜粘温效应的模型进行对比,分析了空化热效应对密封性能的影响。结果表明：在低转速下,空化热效应的影响可以忽略,但在高转速下空化热效应使上游泵送机械密封的高压区形成能力减弱,泵送量降低,开启力降低;在高转速工作条件下分析密封失效机理时,除了考虑黏温效应之外,还要考虑空化热效应的影响;空化热效应使螺旋槽槽区局部温度比仅考虑黏温特性时稍高;考虑空化热效应时,动环端面空化发生程度最严重,由动环端面沿膜厚方向至静环槽底,空化区域越来越小,槽底空化区域最小,此规律与仅考虑黏温关系时相反。     

超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象,分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化,在考虑阻塞流效应的同时,采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解,分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明：S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中,如果工况参数设置合理,将由超临界态逐渐转变为气态,并不会出现液态;较低的进口压力、进口温度以及转速,均会容易导致潜在的凝结流动发生;相比于工况参数对相态分布的影响,槽形参数对相态分布的影响较小,近乎可以忽略;开启力除了随进口温度的升高而减小外,均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大;泄漏率随进口温度和转速的增大而减小,但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。     

基于质量守恒边界条件的下游泵送螺旋槽液膜密封空化分析

液膜中空化的产生会影响密封润滑性能。基于质量守恒的JFO空化边界条件,建立螺旋槽液膜密封数学模型,采用流线迎风有限元法求解Reynolds控制方程,获得端面空化分布,并通过可视化试验进行了验证。以空化临界转速和临界压力为表征,分析了螺旋槽结构参数对空化特性的影响。结果表明：螺旋槽内空化区域呈机翼截面型,且随着转速的增加而变大,随着内径压力的增加而减小,空化周向最大长度位于近槽根处;空化临界转速随着槽数、槽深的增加而增加,随着螺旋角、槽长坝长比、槽台宽比的增加而减小;空化临界压力随各结构参数的变化趋势与空化临界转速相反。通过对各结构参数的合理选择,可实现对空化的有效控制。     

相变对螺旋槽液膜密封性能的影响

为了探究液膜相变现象对螺旋槽液膜密封性能的影响。基于质量守恒定律,以赫兹方程推导质量源项并建立非接触式液膜密封相变模型。使用有限体积法对控制方程进行离散,分析了液膜相变现象对非接触式机械密封性能的影响。结果表明：相变现象对密封性能的影响与密封功用密切相关,且动压槽开槽位置及槽内相态分布对密封性能与端面压力分布影响显著;液膜发生相变后,下游泵送型密封开启力增大且泄漏量减小;上游泵送型内槽式密封开启力先增大后减小,泄漏量先减小后增大再减小,外槽式密封开启力呈线性增大,泄漏量先减小后增大;相变发生在槽区时,会导致动压效应明显减弱,对端面压力分布影响较大。