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.     

氨压缩机干气密封泄漏分析与国产化探讨

分析了吉林化学工业公司化肥厂合成氨装置氨压缩机T形槽干气密封磨损、泄漏、使用寿命短原因。探讨了分析国产化改造方案,采用螺旋槽型干气密封能减少端面磨损,延长密封使用寿命。     

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。     

螺旋槽干气密封微间隙流场的CFD数值模拟

应用Solidworks软件建立螺旋槽干气密封三维立体模型,应用Fluent前处理Gambit软件对模型划分网格,应用Fluent软件对螺旋槽干气密封特定工况下的内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到了流场的压力分布、速度分布以及泄漏量,所得流场数据与文献中实验结果吻合较好。改变操作参数再次模拟,得到了不同参数下流场的压力分布及泄漏量,并分析了操作参数对螺旋槽干气密封的影响。     

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。     

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。     

基于迹线的拟合曲线槽干气密封气膜流场的性能研究

对螺旋槽中间面的中间线上的流体迹线进行拟合,将该拟合曲线作为干气密封的槽型线,建立拟合曲线槽三维立体模型,运用Fluent软件对该拟合曲线槽在干气密封特定工况下(压力为0.50MPa、转速为3kr/min)的最大压力、泄漏量进行数值模拟和分析,并与螺旋槽进行比较。研究结果表明:在相同工况下拟合曲线槽的最大压力为0.60MPa,螺旋槽的最大压力为0.55MPa;拟合曲线槽的泄漏量为8.0×10-3m3/h,螺旋槽的泄漏量为9.6×10-3m3/h。拟合曲线槽和螺旋槽相比,其动压效果更好,泄漏量更小,在工程上可以考虑用拟合曲线槽代替螺旋槽实现更好的密封效果。     

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。     

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。     

干气密封端面气膜流场实验研究

以西安石油大学干气密封装置为实验平台,选择常用的螺旋槽干气密封,分别在相同转速不同压力和相同压力不同转速的工况下,测量干气密封的泄漏量。通过分析得到转速和压力与干气密封泄漏量之间的关系,为干气密封的研究提供实验指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

离心压缩机轴封的发展和使用现状分析

以石化工艺气离心式压缩机的轴端密封为研究对象,根据各个阶段使用的轴端密封形式及其使用情况,分别介绍了传统迷宫密封、浮环密封、油膜螺旋槽机械密封和干气密封的结构,分析它们的各自技术特点,指出其中存在的不足之处和改进方向,并对膜螺旋槽端面机械密封和干气密封的技术特点和优势进行了重说说明,指出现在轴端密封的发展方向是干气密封。     

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。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明：在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明:在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。