干气密封螺旋槽几何参数优选交互影响

为解决干气密封（DGS）端面型槽优化中未考虑型槽几何参数之间对目标函数交互影响而导致几何参数优化结果不准确的问题,研究了不同速度条件下DGS螺旋槽中其他几何参数对某一几何参数优选值的交互影响。基于气体润滑理论,建立了螺旋槽DGS的几何模型和数学模型,数值求解获得端面膜压分布和稳态性能参数,定义了综合表征螺旋槽几何结构的特征参数。以气膜刚度最大为优选目标,获得了不同速度条件下DGS螺旋槽中某一几何参数优选值随其他几何参数的变化规律。结果表明：DGS螺旋槽各几何参数两两之间呈现出复杂的交互影响关系,不过总体符合趋向于降低槽内实际通流面积、槽长宽比和槽长深比3个综合参数变化幅值的原则;与单因素优化方法相比,在给定算例参数条件下所提出的考虑几何参数交互影响的优化方法所获得气膜刚度最优值提高11.4%。     

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。     

干气密封螺旋槽几何参数优选交互影响

为解决干气密封(DGS)端面型槽优化中未考虑型槽几何参数之间对目标函数交互影响而导致几何参数优化结果不准确的问题,研究了不同速度条件下DGS螺旋槽中其他几何参数对某一几何参数优选值的交互影响。基于气体润滑理论,建立了螺旋槽DGS的几何模型和数学模型,数值求解获得端面膜压分布和稳态性能参数,定义了综合表征螺旋槽几何结构的特征参数。以气膜刚度最大为优选目标,获得了不同速度条件下DGS螺旋槽中某一几何参数优选值随其他几何参数的变化规律。结果表明:DGS螺旋槽各几何参数两两之间呈现出复杂的交互影响关系,不过总体符合趋向于降低槽内实际通流面积、槽长宽比和槽长深比3个综合参数变化幅值的原则;与单因素优化方法相比,在给定算例参数条件下所提出的考虑几何参数交互影响的优化方法所获得气膜刚度最优值提高11.4%。     

不同形状方向性型孔液体润滑端面密封性能对比

表面微孔的方向性可以改变密封间隙中流体的流向,在孔区末端汇聚产生明显的流体动压效应,使摩擦副端面打开,形成全膜润滑。以不同开孔形状（圆形、菱形、椭圆形、长方形）型孔端面密封为研究对象,考虑润滑液膜中的空化现象,基于质量守恒JFO空化算法建立数值模拟模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得端面膜压分布。对比分析了在不同操作参数和几何结构参数下不同开孔端面密封性能。结果表明：相比于圆孔,在低速或高压下,方向性型孔都具有较好的动压效应,且长方形孔的动压开启力最好,菱形孔泄漏率较小。当膜厚h₀=1.5～2.5 mm,孔深h_p=2～3 mm,长短轴比γ=3～4,反向开孔比β=0.5,倾斜角α₁=30°～50°、α₂=120°～140°时,不同形状方向性型孔可获得最佳的动压密封性能。     

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。     

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。     

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。     

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CFD的螺旋槽干气密封气膜刚度的计算

应用Gambit软件建立三维螺旋槽干气密封模型,并对其进行网格划分。在相同特定工况下,运用Fluent软件对6种不同气膜厚度的螺旋槽干气密封内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到其流场的压力分布及径向压力分布。通过不同厚度的气膜所产生的动压来获得它们的气膜推力,再利用最小二乘法则拟合得到了气膜推力关于气膜厚度的解析式,求得气膜刚度。结果表明,气膜刚度是关于气膜厚度的负指数函数,通过与试验进行对比,证明了利用此函数来求解气膜刚度是正确的。     

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%。     

典型螺旋槽端面干式气体密封动压开启性能

型槽端面干式气体密封的开启特性对密封的启动、停车和运行具有重要实际意义。基于气体混合润滑理论,考虑密封端面粗糙度效应和端面间气体滑移流效应,建立了干式气体密封的动压开启性能分析模型。开展了螺旋槽端面干式气体密封、带内环槽的螺旋槽端面干式气体密封和雁型槽端面干式气体密封等三种典型型槽端面干式气体密封的临界动压开启性能研究,数值分析了不同工况下三种型槽密封端面气膜压力分布,研究了环颈长比、环颈宽比、平衡比、弹簧比压和密封压力对临界开启转速、动压开启力比等开启性能参数的影响规律。结果表明:端面型槽的动压效应直接决定干式气体密封的临界开启转速,平衡比、弹簧比压对密封的动压开启性能影响较大,而环颈长比影响很小;在相同操作条件下,三种型槽端面密封相比较,雁型槽端面干式气体密封最易开启,带内环槽的螺旋槽端面干式气体密封次之,螺旋槽端面干式气体密封最难开启。     

可调控型气膜润滑密封静压结构参数优化

鉴于可调控型气膜润滑密封(R-GLS)静压效应对密封性能的重要影响,开展该种密封端面静压结构的研究。基于气体润滑理论,采用有限元法求解了R-GLS端面间气膜的雷诺方程,研究了不同转速条件下静压结构对平衡膜厚、气膜刚度、泄漏率和摩擦功耗等密封性能的影响规律,并开展了该种密封静压结构的优化分析。对比了相同工况下静压式、泵出式和泵入式3种R-GLS的密封性能。结果表明:当节流孔直径0.05 mm< d <0.2 mm,量纲1均压槽深度0.005< H <0.015,量纲1均压槽宽度0.02< W <0.05时,R-GLS能获得较佳的密封性、气膜稳定性和较低的摩擦损耗;当量纲1节流孔位置0.3< R <0.6时能获得较大的工作间隙和较优的密封性,0.1< R <0.3或0.55< R <0.7时能获得较好的气膜稳定性;泵出式密封能在保持较大平衡膜厚、优秀气膜刚度的同时兼具较低的泄漏率;泵入式密封可以实现调控气向外零泄漏。     

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。     

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.     

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。     

干气密封单向螺旋槽及其衍生结构功能演变进展

螺旋槽干气密封（S-DGS）是一种典型的非接触式机械密封，在中高速旋转机泵的轴端密封装置中已得到广泛应用。本文对螺旋槽及不同型线单向螺旋槽DGS的研究现状进行了总结，系统归纳分析了为改善不同工况条件下DGS的气膜稳定性、密封性、耐磨性和疏水特性而演化出的各种螺旋槽衍生结构，并根据其功能特性将其归类为高速提稳型、高速减漏型、低速提稳型和疏水耐磨型4类型槽。指出进一步提高S-DGS在高速高压条件下的气膜稳定性和密封性、低速低压条件下的快速开启特性和气膜稳定性，以及超疏水、强耐磨型螺旋槽端面结构的仿生设计是未来研究的重点和热点，也是拓宽DGS应用领域、提高其工作可靠性和使用寿命的关键所在。