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。     

多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

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.     

基于微段组合的干气密封端面型槽结构模型及其参数影响

为解决现有干气密封端面型槽型线方程表征能力不强和结构参数定义体系不统一的问题,提出了一种基于径向微段组合以表征任意形状型线的广义对数螺旋槽结构模型。给出了广义对数螺旋槽结构参数定义体系,对比了不同压力和速度条件下广义螺旋槽与经典螺旋槽干气密封的开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能,重点研究了广义螺旋角分布和型线周向偏转两个特征量对干气密封性能的影响,基于不同目标函数获得了广义螺旋槽的最优形状。结果表明：型槽上游侧壁型线形状对各项稳态性能参数均有显著影响,而下游侧壁型线形状仅对泄漏率和气膜刚度影响显著;经典对数螺旋槽是一种流体动静压效应很强的端面结构,单纯依靠型线优化难以使气膜承载力显著提高,不过在低压高速条件下优化广义螺旋角分布,在高压低速条件下合适设置型线周向偏转有望提高干气密封的气膜刚度和刚漏比。     

节流孔出气模式对静压干气密封稳态性能影响

以径向单列和多列小孔节流静压干气密封为研究对象，采用湍流大涡模拟方法分析了节流孔位置和气膜厚度对单列小孔节流静压干气密封开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能的影响，对比分析了不同节流孔径向出气模式和周向排布对径向多列节流静压干气密封稳态性能的影响，获得了不同膜厚条件下最佳的节流孔出气模式，在此基础上提出一种出气模式在线可调的新型静压干气密封结构。结果表明：相较于经典单列节流静压干气密封，小膜厚时（膜厚＜10 μm）径向上、下游同时开孔的多列节流静压干气密封，以及大膜厚时（膜厚>10 μm）径向上、中、下游同时开孔的多列节流静压干气密封开启力和气膜刚度显著提高，最大增幅分别达到15%和25%；通过选取合理的节流孔出气模式可满足不同条件下静压干气密封高气膜承载能力、低泄漏率和低耗气量的性能需求。     

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。     

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3μm,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。     

多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

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。     

多孔扇形分布端面机械密封性能的数值分析

与普通机械密封相比,微孔端面机械密封的端面摩擦因数、生热量下降而耐磨和抗压性能提高。本文通过建立激光加工微孔端面液体润滑机械密封的理论模型,分析了微孔沿圆周和半径方向呈间断扇形分布时的密封性能。采用有限元法求解雷诺方程获得不同扇形区和微孔结构尺寸参数条件下的端面液膜压力分布,在此基础上计算了液膜刚度、开启力、泄漏量、摩擦扭矩、刚漏比和开漏比等密封性能参数,并进一步分析了各密封性能参数随结构参数的变化规律。结果表明,当径向开孔长度比和周向开孔长度比的优化值均为0.6,微孔面积密度在0.2～0.3范围取值,深径比在0.010～0.015范围取值时,密封综合性能最优。     

中低压干气密封螺旋槽结构参数优化

基于完全析因设计方法,开展中低压干气密封端面螺旋槽几何结构参数优化.基于气体润滑理论,对中低压条件下螺旋槽干气密封的动压开启力增长率、气膜刚度和刚漏比等密封特性参数进行分析,获得了中压和低压条件下螺旋槽几何结构参数的优选值范围,提出"螺旋槽干气密封特性参数优化带".结果表明:特性参数优化带能较好地反映螺旋槽干气密封在不同压缩数下的最优性能水平;在中低压高速条件下,当螺旋角b=10°～25°,槽深h_g=5～10 mm时能获得较优的密封性能;当槽坝比a_g=1.5～4.0,槽长宽比l=2～8时能获得较好的动压效应和轴向气膜稳定性;当槽坝比a_g=0.7～1.5,槽长宽比l=2～5时能获得较好的综合密封性能.     

螺旋槽机械密封的改进设计

The coupling effect among the flow of fluid film,the frictional heat of fluid film and the thermal de- formation of sealing rings is inherent in mechanical seals.The frictional heat transfer analysis was carried out to op- timize the geometrical parameters of the sealing rings,such as the length,the inner radius and the outer radius.The geometrical parameters of spiral grooves,such as the spiral angle,the end radius,the groove depth,the ratio of the groove width to the weir width and the number of the grooves,were optimized by regarding the maximum bearing force of fluid film as the optimization objective with the coupling effect considered.The depth of spiral groove was designed to gradually increase from the end radius of spiral groove to the outer radius of end face in order to de- crease the weakening effect of thermal deformation on the hydrodynamic effect of spiral grooves.The end faces of sealing rings were machined to form a divergent gap at inner radius,and a parallel gap will form to reduce the leakage rate when the thermal deformation takes place.The improved spiral groove mechanical seal possesses good heat transfer performance and sealing ability.     

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。     

干式气体端面密封的开启特性

鉴于干式气体密封启动过程的重要工程意义,基于稳态分析方法研究了该种密封的开启特性。根据开启临界气膜厚度的假设,提出了用于分析干式气体密封开启性能的判据--开启临界转速。研究了启动过程中,气膜厚度、开启力、气膜刚度、泄漏量、摩擦扭矩和摩擦功耗等密封性能参数的变化规律。分析了操作参数和端面结构参数对开启性能的影响。研究表明,启动过程中,密封的特性参数在开启临界气膜厚度附近快速变化;密封操作压力对开启临界转速有较大影响,通过改变端面结构参数可以改变密封的开启临界转速,改变开启性能。提供了一种用于分析密封开启性能的研究方法,可辅助密封端面结构设计和指导启动和停车过程操作。     

雁型槽干式气体端面密封性能的数值分析

为了改善普通螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的密封性能,引入了一种介于普通S-DGS和带环形槽S-DGS(即AS-DGS)两者之间的型槽轮廓类似飞行大雁的雁型槽DGS,即GS-DGS。基于气体润滑理论,建立了GS-DGS的数学分析模型,定义了GS-DGS的主要几何结构参数,采用有限元方法求解Reynolds方程,获得了端面气膜压力分布,分析了这些几何参数对端面开启力、泄漏率、气膜刚度、刚漏比等密封性能参数的影响规律,并根据确保GS-DGS具有较大轴向气膜刚度的同时泄漏率较低的原则,对几何参数进行了优化分析。结果表明,当槽台宽比δ=0.8～1.2,径向开槽宽度比φ=0.4～0.8,雁颈长比ε=0.25～0.35,雁颈宽比ζ=0.2～0.4,槽深比H=2.5～4.0,槽数N=10～18且螺旋角α=10°～18°时,GS-DGS具有最佳工作性能。     

大菱形孔端面密封力变形及密封性能分析

针对等深大菱形孔端面液体润滑机械密封,采用有限差分法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程,获得液膜压力场。利用商用有限元软件计算密封环三维固体变形,对不同操作工况条件下和不同结构的密封环的力变形、摩擦扭矩、液膜刚度及泄漏率等性能参数进行了计算。结果表明：大菱形孔流体动压型机械密封端面产生周向波度和径向锥度变形;改变工况条件可使密封面形成收敛和发散两种不同的变形,密封性能参数因此产生显著变化;当面积比B=0.65～0.75时,大菱形孔端面密封可获得较好的密封性能;辅助密封圈O形圈位置l对径向锥度变形具有很大影响,l优选值范围为2.4～4.0 mm。     

转速压力对T型槽干气密封槽型几何结构参数优选值的影响

T型槽干式气体端面密封（T-DGS）已被广泛应用于石化、化工用离心压缩机轴端密封中,但是目前缺少系统的设计理论与方法,因此也难以对T-DGS失效进行实质性分析研究。基于气体润滑理论模型,采用有限单元法求解控制密封端面间气体流动的雷诺方程,以最大气膜刚度为几何结构参数优选目标,分析了不同压力及转速条件下开启力、泄漏率和气膜刚度等密封性能参数随T型槽几何结构参数的变化规律。结果表明：转速对T型槽的型槽几何周向比α1、槽宽比α2和槽深hg优选值产生较大影响,对径向比β1和槽长比β2优选值的影响可以忽略不计;转速越高,密封性能参数达到最大值时所对应的α1和hg优选值越大,而所需要的α2优选值越小。密封压力对T-DGS的α1、β1及hg的优选值都将产生一定的影响,对α2和β2优选值的影响可以忽略不计;压力越高,密封性能参数对上述5个型槽几何结构参数的敏感度越小,且α1和hg的优选值越小,β1的优选值越大。研究结果为T-DGS在不同操作条件下的实际设计与应用提供了理论依据。     

端面微尺度效应和热黏效应对干气密封性能的影响

考虑干气密封环端面微尺度效应及气膜的热黏效应,基于气体多变过程理论和气体润滑理论,对可压缩流体条件下的扩展平均雷诺方程进行修正,并应用有限元法进行求解;通过改变密封的操作参数,分析研究了端面微尺度效应和热黏效应对干气密封性能的影响规律。结果表明,干气密封在正常工作状态下,压力的升高使气体滑移流和表面粗糙度之间的耦合效应减弱,对泄漏率有固定的影响。若量纲1膜厚H_s<3.5,应考虑表面粗糙度对密封性能的影响;当逆Knudsen数B≥21或Knudsen数Kn≤0.0476时,可忽略气体滑移流效应的影响;热黏效应和表面粗糙度能提高密封动压效应,降低泄漏率,而气体滑移流效应却使泄漏率增大,端面承载能力降低;在低速高压下,表面粗糙度比滑移流效应对密封性能的影响大;当外压p_o≥2.02 MPa时,热黏效应在对密封性能影响中占主导地位。