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α=40°~50°。     

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。     

高速转轴密封微间隙润滑气膜形成与影响因素研究

以天然气井高压旋转控制头为工程背景,利用流体动压机理,针对高转速轴密封问题,提出通过在密封橡胶与轴微间隙接触界面建立润滑气膜,以有效解决橡胶干摩擦失效问题。在胶芯内壁构建螺旋槽,改变柱状摩擦副接触面结构,以产生气体动压效应。通过建立柱面微间隙气膜模型,实现了气膜流场数值模拟,并验证了螺旋槽结构参数、转速变化等因素对气膜的影响规律。结果表明:偏心率是润滑气膜形成的必要条件;在偏心率和转速一定的条件下,螺旋槽与轴转动方向相反且旋向为50°时,气膜压力最大,可获得最佳气体动压效应。     

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.     

基于波箔片变形的浮动式箔片气膜密封性能分析

为保证应用于航空发动机动密封的稳定运行，针对浮动式箔片气膜密封，采用考虑库仑摩擦作用的波箔片刚度模型，利用中心差分法和超松弛迭代法耦合求解箔片变形方程、压力控制方程和气膜厚度控制方程，并运用小扰动法，结合压力与箔片变形的平衡关系，获得锲形润滑气膜的流场分布，分析了工况参数、箔片结构参数以及直线动压槽分布位置对密封静、动态特性的影响规律。研究结果表明：受益于密封面的变形作用，浮动式箔片气膜密封可根据运行工况自主调节气膜间隙；进口直线槽的气膜浮升力和泄漏量均大于中间直线槽；密封特性与气膜压力和密封间隙密切相关，但受到库仑摩擦效应的影响很小；库仑摩擦效应和加厚箔片都可在一定程度上增大箔片刚度，使得密封表面变“刚”；浮动式箔片气膜密封在高转速服役环境下的综合表现良好。研究成果为今后浮动式箔片气膜密封的结构设计和试验测试奠定了理论基础。     

基于波箔片变形的浮动式箔片气膜密封性能分析

为保证应用于航空发动机动密封的稳定运行，针对浮动式箔片气膜密封，采用考虑库仑摩擦作用的波箔片刚度模型，利用中心差分法和超松弛迭代法耦合求解箔片变形方程、压力控制方程和气膜厚度控制方程，并运用小扰动法，结合压力与箔片变形的平衡关系，获得锲形润滑气膜的流场分布，分析了工况参数、箔片结构参数以及直线动压槽分布位置对密封静、动态特性的影响规律。研究结果表明：受益于密封面的变形作用，浮动式箔片气膜密封可根据运行工况自主调节气膜间隙；进口直线槽的气膜浮升力和泄漏量均大于中间直线槽；密封特性与气膜压力和密封间隙密切相关，但受到库仑摩擦效应的影响很小；库仑摩擦效应和加厚箔片都可在一定程度上增大箔片刚度，使得密封表面变“刚”；浮动式箔片气膜密封在高转速服役环境下的综合表现良好。研究成果为今后浮动式箔片气膜密封的结构设计和试验测试奠定了理论基础。     

上游泵送人字槽液膜密封结构优化设计

以上游泵送人字槽液膜密封为研究对象,采用有限差分法求解稳态雷诺方程和传热方程,分析密封端面结构参数对密封稳态性能的影响。结果表明:随台槽比的增大,泄漏量和液膜刚度先增大后减小,密封环最高温度和总变形锥度变大;随螺旋角和槽深的增大,泄漏量和液膜刚度变大,密封环最高温度和总变形锥度变小;随槽数的增多,泄漏量和液膜刚度减小,密封环最高温度和总变形锥度变大。为保证上游泵送人字槽液膜密封有较好的密封性能,建议取台槽比为1~1.5,螺旋角为20°~24°,槽深为9~13μm,槽数为24~36个。     

宽速域三种典型型槽油气密封泄漏与成膜特性对比研究

如何实现涡轮增压器气膜密封在低速状态的低漏油和高速状态的低窜气、高刚度是其设计的关键问题。以泵出型螺旋槽、八字复合型槽和雷列台阶复合型槽油气密封作为研究对象，基于双相雷诺模型数值求解了三种型槽油气密封的流场分布，测试了不同工况下气膜密封的气膜厚度和介质泄漏，对比研究了宽速域范围内三种型槽油气密封的泄漏和成膜特性，重点分析了槽深、螺旋角和泵出槽长比等关键结构参数对八字复合型槽油气密封泄漏和成膜特性的影响规律。结果表明：泵出型螺旋槽密封因具有最小的漏油量可作为低速状态的优选方案，八字复合型槽密封因具有显著更低的窜气量和更大的气膜刚度可作为高速状态的优选方案，不过这依赖其槽深、螺旋角和泵出槽长比的合理设计；在一定的工况和结构参数时，复合型槽密封有望在端面形成明显的油气径向分界面，从而实现油气近零泄漏。     

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.     

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。     

基于JFO空化和幂律模型的螺旋槽液膜密封流体动压特性

密封端面间润滑流体的非牛顿特性对密封的性能有重要影响。基于满足质量守恒的JFO空化边界条件及描述流体非牛顿特性的幂律模型,建立了考虑流体非牛顿特性的螺旋槽液膜密封数学模型。采用有限差分法对控制方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到了密封端面液膜压力分布。探讨了润滑流体的非牛顿特性对螺旋槽液膜密封的液膜承载能力、泄漏量、摩擦扭矩等性能参数及液膜中空化发生情况的影响规律。结果表明：随着幂律指数的增大,液膜承载能力先增大后减小,泄漏量和空化率增大,摩擦扭矩减小;幂律指数为0.96时,相对于牛顿流体,液膜承载能力提升约4.6%,密封端面空化率下降约98.6%,泄漏量下降约5.8%,摩擦扭矩增加约0.3%;随着操作参数的改变,不同幂律指数下的流体动压性能参数变化规律具有相似性;润滑流体的合理选择对液膜密封性能改善有重要意义。     

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。     

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。     

扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能分析

密封端面开启力是保证非接触式机械密封非接触运行的重要指标。为克服普通自泵送流体动静压型机械密封端面开启力随转速增大而减小这一不足，基于离心式泵或压缩机的扩压器工作原理提出了一种扩压式自泵送流体动静压型机械密封。数值模拟比较了普通自泵送和扩压式自泵送流体动静压型机械密封的密封性能，探讨了密封面结构参数和工况参数对扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能的影响规律。结果表明：扩压式自泵送流体动静压型机械密封相比同等螺旋槽参数的普通自泵送流体动静压型机械密封的密封界面开启力提升了50%以上，并随转速增大而增大；随着扩压环槽增宽，开启力和泄漏率都显著增大；减小扩压环槽深度，能有效提高开启力；扩压环槽结构尺寸的变化基本不影响槽扩宽比、槽数和螺旋角对密封性能的影响规律。在一定的工况参数下，通过结构参数匹配，扩压式自泵送流体动静压型机械密封可以获得较优的密封性能。     

基于质量守恒边界条件的下游泵送螺旋槽液膜密封空化分析

液膜中空化的产生会影响密封润滑性能。基于质量守恒的JFO空化边界条件,建立螺旋槽液膜密封数学模型,采用流线迎风有限元法求解Reynolds控制方程,获得端面空化分布,并通过可视化试验进行了验证。以空化临界转速和临界压力为表征,分析了螺旋槽结构参数对空化特性的影响。结果表明：螺旋槽内空化区域呈机翼截面型,且随着转速的增加而变大,随着内径压力的增加而减小,空化周向最大长度位于近槽根处;空化临界转速随着槽数、槽深的增加而增加,随着螺旋角、槽长坝长比、槽台宽比的增加而减小;空化临界压力随各结构参数的变化趋势与空化临界转速相反。通过对各结构参数的合理选择,可实现对空化的有效控制。     

一种自适应柱状密封气膜特性分析

提出一种自适应柱状气膜密封，构建气膜-密封环为研究对象，考虑了偏心间隙发散问题，并定义Rayleigh台阶对气膜周期的突变性，建立了气膜雷诺方程和膜厚变化函数关系式的动力润滑数值模型，获得了摩擦副气膜润滑特性，研究结果表明：气膜力随转速和压力升高而增加，泄漏量随压力升高而增加但是随转速增加而下降，说明密封内部压力流占主导地位。随后，利用曲面槽型雕刻技术，结合高速试验台对密封进行测试，结果表明：理论计算模型与试验结果吻合度较高，斜槽区域存在更多擦痕与磨损，说明斜槽浮动性弱于直列槽；但斜槽的切向流动小于直列槽，导致斜槽泄漏量小于直列槽。该研究成果为自适应柱状气膜密封的气体流动规律和应用提供了理论基础。     

超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象，分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化，在考虑阻塞流效应的同时，采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解，分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明：S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中，如果工况参数设置合理，将由超临界态逐渐转变为气态，并不会出现液态；较低的进口压力、进口温度以及转速，均会容易导致潜在的凝结流动发生；相比于工况参数对相态分布的影响，槽形参数对相态分布的影响较小，近乎可以忽略；开启力除了随进口温度的升高而减小外，均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大；泄漏率随进口温度和转速的增大而减小，但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。