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。     

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。     

基于湍流模型的S-CO2干气密封流场与稳态性能分析

为探究湍流效应对S-CO₂干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO₂真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明：湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下的开启力和泄漏率均比层流下的低,且在两种流态下的这种差异随着进口压力、进口温度、平均膜厚的增大而逐渐增大;在不同转速下,开启力和泄漏率在湍流下分别表现出与层流不同的变化趋势。这些结果为进一步研究湍流效应对S-CO₂干气密封的影响提供了支撑。     

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明：在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。     

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO₂)螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力p_o＿cir、临界阻塞转速N_＿cir、临界阻塞膜厚h_0＿cir和阻塞临界失稳膜厚h_sc)。结果表明：等温流动和绝热流动模型下超临界CO₂干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为p_o>p_o＿cir、h_0＿cir0sc和N＿cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升...     

含杂质二氧化碳实际气体干气密封性能研究

基于EOS-CG模型和GERG-2008模型计算含杂质二氧化碳混合气体的密度，基于CO₂-Pedersen模型计算混合气体的黏度。利用模型计算数据拟合获得含杂质二氧化碳混合气体密度、黏度与压力的关系式，用以描述混合气体的实际行为以及黏度随压力变化的规律。采用有限差分法求解稳态雷诺方程，得到了纯二氧化碳和含杂质二氧化碳干气密封开启力、泄漏率以及气膜刚度，并分析了杂质对二氧化碳干气密封性能(开启力、泄漏率、气膜刚度)的影响。考虑的变量有端面平均线速度、气膜厚度、进口温度以及进口压力等。结果表明：当进口压力为15.26 MPa，进口温度为363.15 K，线速度为74.030 m/s，气膜厚度为3.05 μm时，含杂质二氧化碳干气密封开启力和泄漏率都小于纯二氧化碳干气密封开启力和泄漏率，且杂质含量越多，差别越明显；杂质对二氧化碳干气密封开启力、泄漏率、气膜刚度的影响随端面平均线速度的增大而增大；对泄漏率、气膜刚度的影响随气膜厚度的增加而减小；对开启力、泄漏率、气膜刚度的影响随进口温度的增大而减小；对开启力的影响随进口压力的增大先减小，再增大，最后减小，对泄漏率的影响随进口压力的增大先增大后减小，对气膜刚度的影响随进口压力的增大先减小后增大。     

基于相变效应的内压型螺旋槽液膜密封性能分析

液膜相变现象不仅改变了端面润滑状态,而且对密封性能及稳定性有着显著的影响。使用有限体积法对控制方程进行离散,研究了螺旋槽结构参数与密封工况参数对密封性能及液膜相变率的影响。结果表明：开启力与泄漏量随螺旋角、槽数、槽深、压差、转速的增大而增大,随槽面宽比、槽台宽比的增大先增大后减小,分别在槽面宽比ζ=0.5与槽台宽比φ=0.7时取到最大值。相变率随螺旋角、转速的增大而增大,随槽数、槽深、压差、槽台宽比的增大而减小,随槽面宽比的增大先减小后增大,在槽面宽比ζ=0.8时取最小值。通过对各参数合理地选择与组合,可以有效地抑制相变进程,进而在保证密封运行稳定的同时利用相变现象提高密封性能。     

基于相变效应的内压型螺旋槽液膜密封性能分析

液膜相变现象不仅改变了端面润滑状态,而且对密封性能及稳定性有着显著的影响。使用有限体积法对控制方程进行离散,研究了螺旋槽结构参数与密封工况参数对密封性能及液膜相变率的影响。结果表明:开启力与泄漏量随螺旋角、槽数、槽深、压差、转速的增大而增大,随槽面宽比、槽台宽比的增大先增大后减小,分别在槽面宽比ζ=0.5与槽台宽比φ=0.7时取到最大值。相变率随螺旋角、转速的增大而增大,随槽数、槽深、压差、槽台宽比的增大而减小,随槽面宽比的增大先减小后增大,在槽面宽比ζ=0.8时取最小值。通过对各参数合理地选择与组合,可以有效地抑制相变进程,进而在保证密封运行稳定的同时利用相变现象提高密封性能。     

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明:在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。     

柱面密封气膜动压效应模拟及试验

航空发动机柱面密封常因动压不足导致浮环碰磨而破裂。据此利用Fluent软件对现役柱面无槽气膜和螺旋槽气膜两种模型进行了流场动压数值模拟，并进行试验验证。研究结果表明：对于无槽气膜模型，增大偏心率、转速和压差，密封动压效应增强。偏心率和压差的增大会提高模型泄漏率，但转速的改变对模型泄漏率的影响很小；对于螺旋槽气膜密封，增大偏心率、转速和压差，气膜浮升力提升。随偏心率和压差的增大，模型泄漏率随之升高。综合以上两条结论可得，转速是影响泄漏率的次要因素；螺旋槽模型相对无槽模型，动压效果好，泄漏率小，相同工况下具有更好的动压效应，此研究对于研发更优的柱面密封结构有重要参考意义。     

考虑氢气实际气体效应和阻塞流效应的螺旋槽干气密封动态特性分析

以Chen等提出的氢气实际气体状态方程描述氢气的实际气体行为,以气体出口速度达到音速作为产生阻塞效应的条件,确定出口压力边界条件,采用小扰动法分析了干气密封操作参数对螺旋槽干气密封动态特性的影响规律,并与理想气体、强制出口压力边界模型中的动态特性系数进行了对比。结果表明：研究高压螺旋槽干气密封的动态特性时应当考虑实际气体效应和阻塞流效应。两种效应使氢气螺旋槽干气密封的直接动态气膜刚度减小,使直接动态气膜阻尼增大。随着压缩数、进口压力的增大,两种效应对动态气膜刚度的影响逐渐增强。以频率比为变量时,两种效应主要影响气膜刚度,对气膜阻尼的影响作用较小。针对所研究的工况,与理想气体和强制压力出口边界条件相比,考虑实际气体效应和阻塞流效应,以压缩数为变量时,动态气膜阻尼（C_zz、C_αα、C_αβ）的平均偏差分别为2.28%、1.93%、2.79%;以进口压力为变量时,3种气膜阻尼的平均偏差分别达到4.08%、2.07%、1.82%。     

同时考虑实际气体效应和滑移流效应螺旋槽干气密封性能分析

为分析考虑实际气体效应和滑移流效应的螺旋槽干气密封性能,通过维里实际气体状态方程代替理想气体状态方程、有效黏性系数代替动力黏度修正窄槽理论螺旋槽干气密封气膜压力控制方程。以氮气(N₂)、氢气(H₂)、二氧化碳(CO₂)为例,分别计算、对比无滑移理想气体、滑移理想气体、无滑移实际气体、滑移实际气体时螺旋槽干气密封的泄漏率、槽根处压力、端面开启力。结果表明:滑移流效应使气体泄漏率增大、槽根处压力和端面开启力降低;实际气体效应使易受压缩气体(压缩因子Z<1)的泄漏率、槽根压力、端面开启力增大,使不易受压缩气体(压缩因子Z>1)泄漏率、槽根压力、端面开启力减小。随着气体压力增大,滑移流效应逐渐减弱,而实际气体效应增强;低压下滑移流效应起主导作用,高压下实际气体效应起主导作用。     

基于F-K滑移流模型的柱面微槽气浮密封浮升能力分析

由于气浮密封薄膜引发的滑移流现象频发,本文针对一种新型柱面螺旋槽气浮密封,基于线性化Boltzmann方程（F-K 模型）,引入流量因子,建立稀薄气体润滑的F-K滑移流模型。采用高精度八点差分法和Newton-Raphson迭代法求解气膜压力,解决了表面槽-台阶跃、径向偏心与极薄气膜三者耦合下对求解发散和计算精度的影响。将计算结果与现有研究对比,并考察了气体滑移流效应与运行参数的内在关联,研究结果验证了新型柱面螺旋槽气浮密封在高速、低压、小膜厚和大偏心下具有较为明显的滑移流效应;此外,虽然槽深、槽数和槽长的增加提高了气膜浮力,但是增强了槽内滑移流动的响应。研究结果为拓宽动压密封应用范围提供理论了基础。     

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。     

螺旋槽干气密封微尺度气膜的温度场计算

螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而使运行不稳定和泄漏量增大。首先在速度滑移边界条件下,求出气膜压力和气膜速度;然后推导出气膜的能量微分方程,同时引入温度阶跃边界条件,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过Matlab软件数值计算得到气膜的温度分布。结果表明,随着气体从外径流入内径,气膜速度的分布规律是先降低后升高,槽根部周围速度较低;随着气体从外径流入内径,气膜温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;考虑温度阶跃下的温度分布与不考虑温度阶跃下的温度分布相差较小,可以不予考虑温度阶跃对干气密封气膜温度的影响。     

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。