螺旋槽干气密封环端面摩擦试验及其性能分析

干气密封环端面在启停阶段和由于制造装配误差等造成非正常运行时存在严重的端面接触摩擦,有必要对干气密封动静环进行摩擦学试验,从而分析并探讨其摩擦学特性。利用端面摩擦磨损试验机,选定合适的工况参数与相应的测试技术对螺旋槽干气密封环进行测试,研究不同工况下的摩擦学特性。结果表明:在特定工况下的试验中,螺旋槽干气密封端面存在明显的磨合现象;当工况从226 N、150 r·min~(-1)增大至1130 N、500 r·min~(-1)时,石墨环磨损量最大增加193.3%,摩擦系数最大降低22.3%,说明石墨环的自润滑性影响密封端面的摩擦性能;由于端面间螺旋槽的存在,石墨环内圈磨损大于外圈。试验结果可为今后端面摩擦学性能的优化提供依据。     

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明：与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能（泄漏率、开启力）的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3 μm,转速为20000 r·min^-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。     

螺旋槽干气密封端面间气膜特性

螺旋槽干气密封是一种新型的非接触式机械密封,它具有介质泄漏量少、端面磨损小、能耗低、运行寿命长和可靠性高等优点.采用有限元法对螺旋槽干气密封端面间气体的流动过程进行了数值模拟研究,得到了端面间气膜的压力分布规律并对主要的密封性能参数——开启力、端面摩擦力、摩擦功耗、轴向刚度以及泄漏量进行了计算,最后,探讨了操作参数和端面槽形几何参数对密封性能的影响.研究结果为螺旋槽干气密封的设计提供了有益的参考.     

螺旋槽干气密封静环的变形分析

在高压下运行的螺旋槽干气密封,静环端面将会产生较大的轴向位移,对3~5μm厚的气膜稳定性影响至关重要。应用ANSYS软件对螺旋槽干气密封静环建立有限元模型,进行力变形和热力耦合变形分析。研究结果表明:在力单独作用下,静环端面轴向变形随着半径呈近似线性变化,在内径处产生最大轴向压缩位移;热力耦合作用下,静环端面轴向变形随着半径呈非线性变化,同样在内径处产生最大轴向压缩位移。但在两种工况下,端面最大变形量都没有超过密封时气膜厚度,对气膜稳定性没有影响,所以对整个螺旋槽干气密封系统的密封性能没有影响。     

干气密封螺旋槽的激光加工和动压效应分析

采用激光加工法对螺旋槽干气密封端面动压槽进行加工,并进行端面压强的测试。在静环端面相隔120°且不同的径向位置安装3个传感器,测定端面螺旋槽沿着径向产生的压强。通过改变螺旋角、槽深和螺旋槽槽数来试验研究端面产生的动压效果。试验表明,采用激光加工方法能够得到很好的加工精度,达到样机试验的要求;在确定的工况下,当螺旋角在16°时产生的压强最大,压强随着槽深和槽数的增加而增大,最大压强在槽根部。     

考虑密封环材料属性和表面形貌干气密封启停阶段的动态接触特性分析

干气密封启停阶段的端面接触是不可避免的,为了揭示端面发生接触时的力学特性以保证干气密封稳定运行,运用统计学接触理论和等效阻尼思想,考虑密封环材料属性,推导出适用于分析干气密封干摩擦界面法向动态接触刚度和动态接触阻尼的解析模型,并通过实验测得密封环真实表面形貌,确定了接触模型的初始参数。探究干气密封端面发生接触时动态接触刚度和接触阻尼等参数的变化规律。结果表明,动态接触刚度随接触比压、扰动振幅的增大而增大。扰动频率对动态接触刚度的作用效果远小于接触比压或振幅对接触刚度的作用效果。动态接触阻尼随接触比压的增大而增大,随扰动频率和振幅的增大而减小。通过与多种经典接触模型对比,当前的计算结果与GW模型更为接近。针对干气密封碳化硅作为动环、石墨作为静环的配对方式,在端面未发生磨损时,结合面的微扰动态特性以动态接触刚度为主,动态接触阻尼较弱。法向接触特性的变化主要考虑50%临界脱开转速之前的接触阶段。     

特殊工况机械密封试验研究

对机械密封在机械油不足的工况下进行性能试验研究,对比分析机械密封摩擦副宽度和密封环端面槽型对密封性能的影响。试验结果表明:减小密封端面宽度和改变密封环端面开槽均可以有效降低密封腔温升;端面刻有圆弧深槽的密封能在短时间内满足机械油不足的工况,但不能长时间适用于此工况;端面刻有月牙深槽的密封既能满足正常工况运转要求,又能承受较长时间机械油不足的特殊工况。     

密封环支撑边界条件对机械密封端面变形的影响

机械密封的密封环是通过辅助O形圈支撑在轴上或者密封腔内，不同的结构设计会改变密封环支撑边界。针对三种机械密封结构模型，利用ANSYS有限元分析软件，模拟机械密封摩擦副端面的变形，讨论了橡胶O形密封圈不同受力边界条件下机械密封端面变形的规律。研究发现当动环、静环均采用SiC时，在静态（结构分析）时，该三种不同支撑结构的摩擦副端面均形成发散间隙，端面变形受支撑边界接触应力的影响较大；热结构耦合分析发现其动环、静环端面间隙呈收敛间隙运转时，热边界条件影响更大。当动环采用石墨，静环采用SiC时，发现其端面间隙可能为收敛型也可能为发散型，这与支撑边界有关。故密封环支撑边界条件的不同会影响动环端面变形，同时动、静环材料的弹性模量对端面的变形有较大影响，从而会影响密封性能。该研究对机械密封设计有指导意义。     

干气密封滑动摩擦界面摩擦振动理论分析及实验测试

为揭示干气密封端面间摩擦振动规律，通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析，基于分形理论构建了包含分形参数的密封端面法向位移激励以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型。为验证模型的合理性和正确性，搭建了干气密封摩擦振动实验测试平台。对不同工况下的理论与实验结果进行对比分析，结果表明：当载荷一定时，理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着转速的增大而增大；当转速一定时，理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着载荷的增大而增大；在相同工况下，理论模型计算振幅与实验测试振幅接近，且理论值普遍大于实验值。     

颗粒介质用机械密封热力耦合变形及摩擦磨损研究

在含有颗粒介质的工作环境中下,硬质材料配对机械密封环的热力耦合变形和摩擦磨损对机械密封的泄漏和使用寿命起着至关重要的作用。考虑动静环和颗粒介质的摩擦,试验测定了摩擦系数,建立了动静环热力耦合的有限元计算模型,研究了WC-Co硬质合金和无压烧结碳化硅（SSiC）陶瓷两种硬质材料密封的温度场和端面变形规律,分析了不同工况下的密封间隙变化规律。试验测试分析了密封环温度、磨损前后的泄漏及表面粗糙度,讨论了端面的磨损机理,验证了计算模型的准确性。结果表明：考虑动环磨粒摩擦热的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形;耦合作用下动静环端面呈现外径脱离、内径贴合的变形,且变形差异程度随压差和转速的增大而加剧;变形导致端面磨痕分布不均匀,内径磨痕较严重。WC-Co硬质合金配对密封环的端面变形小、泄漏量小,高硬度WC颗粒对Co基体能产生很好的“阴影效应”,具有良好的耐磨粒磨损性能。SSiC陶瓷材料韧性差,易产生片状磨屑,形成过渡型磨粒磨损,材料耐磨性较差,泄漏量增加明显。在磨粒工况下,WC-Co硬质合金机械密封具有泄漏小、耐磨性强的特点。研究结果为颗粒介质中机械密封的材料应用及设计优化提供了参考。     

高速高压螺旋槽干气密封端面温度的测试分析

由于高工况和端面间隙3~5 μm, 因而对端面温度的测试技术是个难点, 更是研究端面微尺度热流体力学的关键点。采用LabVIEW对端面温度编写测试程序, 选定符合要求的传感器等设备, 确定相应的测试技术, 采取抑制干扰的措施, 对端面温度进行测试, 研究不同工况和启停阶段下端面温度的分布和其原因。试验结果表明:不同压力和转速下, 端面的温度分布:根径大于内径大于外径, 最高温度发生在根径处, 为90.90℃, 说明非接触状态下, 以根部大压降引起的热耗散所产生的温升为主。启停阶段外径温度最高, 说明接触状态下, 以固体壁面间摩擦产热为主。这与先前利用热耗散变形得到的理论结果相吻合, 验证了根径区域为温度最高点。试验结果为今后考虑热耗散下的槽形优化提供了依据。     

干气密封端面气膜流场的三维模拟分析

采用ANSYS分析软件对干气密封端面动、静环间的气膜层及螺旋槽内的流场进行了有限元分析。采用沿垂直厚度进行面分区划分单元,而后将面网格拉伸成体网格的方法,解决了气膜层流场三维流场的模拟计算,得到了气膜层整体及密封面槽区、台区、坝区流场的压力及速度分布。     

Tribological Characteristics of α-Alumina at Elevated Temperatures

The tribological characteristics of a high-purity α-alumina sliding on a similar material under unlubricated conditions are divided into four distinct regimes. At low temperatures, T < 200°C, tribochemical reactions between the alumina surface and water vapor in the environment control the tribological performance. The coefficient of friction in this temperature range is approximately 0.40 and the wear coefficient is less than 10⁻⁶, independent of contact load. At intermediate temperatures, 200°C < T < 800°C, the wear behavior depends on the contact load. At low loads, wear occurs by plastic flow and plowing; the coefficient of friction is approximately 0.60 and the wear coefficient is less than 10⁻⁶. At loads larger than a threshold value, severe wear occurs by intergranular fracture. The coefficient of friction increases to 0.85 and the wear coefficient increases to a value greater than 10⁻⁴. At temperatures above 800°C, formation of a silicon-rich layer on the wear track by diffusion and viscous flow of the grain-boundary phase reduces the coefficient of friction to 0.40, and the wear coefficient is reduced to a value less than 10⁻⁶. The results of the wear tests and observations of the fundamental mechanisms controlling the tribological behavior of this material are consolidated in a simple wear transition diagram.     

柱面螺旋槽气膜密封微尺度流动场稳态特性分析

针对燃气轮机转子振动较大的特点,提出一种新型柱面螺旋槽气膜密封。利用考虑滑移边界条件下的微尺度效应稳态柱面雷诺方程,求解柱面气膜的压力的近似解析解,获得柱面螺旋槽气膜量纲1浮升力、泄漏量以及摩擦转矩,并讨论了工况参数和螺旋槽结构参数对稳态性能的影响。综合考虑参数对稳态特性的影响,提出优化结构参数。结果表明：密封压差对稳态特性的影响要远大于偏心率。在不同的偏心率下,螺旋槽槽数对浮升力的影响不明显,随着槽数的增加,摩擦转矩升高,泄漏量降低并在槽数n=12左右趋于稳定;随着槽深的增大,浮升力呈下降趋势,摩擦转矩和泄漏量相应增大;随着密封宽度增大,浮升力呈上升趋势,但偏心率不同,上升幅度不同;泄漏量在密封宽度L=0.035 m处基本稳定。螺旋角的增大导致了浮升力的下降,摩擦转矩和泄漏量呈上升趋势。在密封压差的作用下,摩擦转矩随着4种结构参数的增大而上升。槽数增大导致浮升力下降,与槽深的影响刚好相反。随着密封宽度的增加浮升力先降低后升高,与螺旋角的影响刚好相反。槽数和密封宽度的增加导致泄漏量快速下降至稳定值。提出优化的结构参数如下：槽数n=12～18,密封宽度L=0.03～0.045 m,螺旋角a=40°～50°。     

基于ANSYS Workbench的介质泄漏对密炼机转子端面密封影响的摩擦静力学分析

基于ANSYS Workbench软件中的结构静力分析模块建立密炼机转子端面动静密封环的有限元模型,利用仿真技术分别对动静密封环端面直接接触和介质接触进行摩擦静力学分析。结果表明:动静密封环接触端面压力最大,导致端面摩擦力最大,磨损最为剧烈;混炼物料泄漏会使动静密封环端面接触由直接接触变为介质接触,端面摩擦磨损加剧,易导致端面动静密封环损坏甚至失效。     

基于遗传算法的干气密封双向槽统一模型与参数优化

通过提出表征能力更强的新型结构模型和引入全局寻优能力更强的智能优化算法以提高双向旋转槽干气密封的稳态密封性能。在综合分析国内外干气密封典型双向旋转槽结构特点的基础上，提出一种动压槽倾角可变的双向旋转槽统一模型。建立双向旋转槽干气密封的几何模型和数学模型，采用有限差分法求解端面膜压控制方程，获得开启力和气膜刚度等稳态性能参数。分析了动压槽倾斜角对干气密封稳态性能的影响规律，对比分析了不同速度条件下单因素优化、迭代优化和遗传算法优化等三种优化方法对提高双向旋转槽干气密封稳态性能的作用。结果表明：相较于以往双向树形槽干气密封单因素优化的结果，基于遗传算法的统一模型槽干气密封获得的开启力和气膜刚度显著提高，最大增幅分别达到6%和55%；在高速条件下，上游动压槽螺旋角为锐角，下游动压槽螺旋角为钝角的似机翼形双向旋转槽干气密封具有最大的开启力和气膜刚度。