斜线槽液体润滑非接触式机械密封性能研究

根据液体润滑理论建立了斜线槽液体润滑非接触式机械密封数值分析模型,定义了斜线槽的主要几何结构参数,采用有限元方法求解雷诺方程,获得了端面液膜压力分布,分析了斜线槽端面几何参数对端面开启力、泄漏量、液膜刚度等对密封性能参数的影响规律。结果表明,斜线槽槽根半径不能取值过大或过小,大约为58mm时能取得最优的密封性能;斜线槽液体润滑非接触式机械密封倾斜角α1不应该大于倾斜角α2,否则密封性能会很大程度上削弱。     

湍流效应对空化流场及密封性能的影响

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以及空化区域面积的影响。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在湍流状态下的开启力、泄漏率以及空化面积比均大于层流模型下的值,且随着几何参数和工况参数的变化,层流效应和湍流效应对密封开启力、泄漏率以及空化面积比的影响规律基本相似;在不同条件下,螺旋槽外径侧更容易产生空化效应,且湍流效应下的空化区域明显大于层流效应下的值。研究表明在端面螺旋槽液膜密封中,湍流效应和空化效应对密封稳态性能的影响不可忽略。     

含气介质用机械密封端面两相流动特性*

气液混输条件下,密封腔内的含气率较高将会使得密封液膜中有气体进入,从而导致密封环出现“失稳”现象。为探讨含气介质对机械密封性能的影响,通过建立端面螺旋槽型液膜模型,基于Mixture多相流模型,对端面液膜中气液两相分布及机械密封密封性能进行研究。结果表明：液膜内气相体积分数随气泡直径的减小而增大;不同入口含气率下密封端面两相分布规律相近,含气率较高的位置出现在槽根半径处;随着含气率、转速、压差的升高,〖JP2〗槽根处的压力随之升高,从而影响密封性能;在相同含气率、转速及压差下,随膜厚的增加,泄漏量增大,开启力减小,且较小的膜厚对工况参数的改变更为敏感,槽深与膜厚的相关性较强,优化机械密封结构时需综合考虑两者的影响。     

枞树型槽上游泵送机械密封稳态特性数值分析

针对电机轴承密封可靠性差的问题,提出一种适用于电机的枞树型槽上游泵送机械密封。在MATLAB环境下求解液膜稳态雷诺方程,得到枞树型槽上游泵送机械密封端面液膜压力分布,分析端面结构参数如槽深比、螺旋角、槽坝比对密封稳态特性的影响规律,并给出枞树型槽结构参数的设计优选范围。结果表明:该机械密封具有较好的动压效应;随着槽深比的增加,开启力、泵送量和液膜刚度均先增大后迅速减小,摩擦因数则缓慢增大;随着螺旋角的增大,开启力和泵送量逐渐减小,刚度先增大后减小;随着槽坝比的增大,开启力和泵送量增加,摩擦因数增大,刚度先逐渐增大而趋于稳定;槽深比和螺旋角对枞树型槽上游泵送机械密封的稳态特性影响较大,而槽坝比的影响较小;取槽深比1. 0～4. 0、螺旋角15°～25°、槽坝比1. 5～2. 5时,机械密封可获得较大开启力和液膜刚度、较小摩擦因数等较好的综合性能。     

基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟

密封端面微间隙液膜特性是上游泵送机械密封性能研究的关键。采用Pro/E wildfire软件建立参数化螺旋槽上游泵送机械密封端面微间隙液膜几何模型,以清水为工作介质,使用Fluent软件,对跨尺度密封端面微间隙流场进行三维数值模拟,得到开启力及压力分布规律,并与有关测试结果进行对比分析,实验数据与模拟数值基本吻合,表明所采用的模拟方案可对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙三维流场进行较好地描述,该方法可用于密封端面微间隙流场及性能的系统研究;对端面压强分布进行分析,结果表明,在螺旋槽外槽根处存在最大静压,液膜开启力的增大主要来源于槽根产生的最大静压。     

槽区分布对T形槽液膜密封性能的影响

为研究槽区分布对密封性能的影响,以发散型T形槽液膜密封为研究对象,通过改变槽形区域位置,使其分布在动环外侧、中部及内侧,形成外槽形、中槽形和内槽形3种结构;建立其相应模型,对其液膜流场进行数值计算,讨论工况参数和槽形几何参数对3种槽形结构密封性能的影响。结果表明：槽区分布对密封性能有重大影响,同一条件下,外槽形拥有较强的流体动压特性和流体泵出效应,从而具有较大的开启力和较低的泄漏量,在3种槽形中密封性能最好;工况参数和槽形几何参数对3种槽形的开启力和泄漏量有较大影响,当膜厚取2～5μm,槽深取5～9μm,槽数取10～14个,发散角取32°～40°,可获得较好的密封性能。     

阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行CFD流体仿真分析。结果表明：工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。     

两种动压机械密封性能的对比研究

对径向直线槽和斜直线槽液体动压机械密封进行了对比分析,研究了槽深、槽数和转速对密封性能的影响。结果表明,在相同条件下,斜直线槽密封的端面最大压力、端面开启力和液膜刚度均大于径向直线槽,且具有零泄漏特点,综合性能优良。     

新型双螺旋槽端面密封主要结构参数对密封性能的影响

针对一种用于高速高压、超低温等极端工况下的新型双螺旋槽端面密封装置,在等密封闭合力的假设下,对动环槽形几何结构参数,如槽深、槽数、槽台宽度比及螺旋角对密封性能(密封间隙、泄漏量及液膜刚度)的影响进行了理论研究。综合考虑较小密封泄漏量和较大的液膜刚度,计算结果表明取较小的槽深(考虑实际工作过程中启停过程带来的磨损,不宜小于15μm),槽数10~15个,槽台宽比0.25~1.0,螺旋角α≤20°较适宜。     

端面波度、锥度与槽型耦合密封特性数值分析

研究非接触端面密封中密封端面的波度、锥度与槽型耦合作用下非端面密封的密封特性。在层流、稳态的密封介质基础上,基于极坐标下二维雷诺方程,结合数值求解方法,考虑波度、锥度与槽型耦合对密封特性的影响,得到泄漏率、开启力、液膜刚度3类密封特性参数变化趋势。研究表明,当锥度一定时,随着波度增大,泄漏率增加,液膜刚度微幅增大,而开启力则受端面槽型耦合影响,其中直方槽端面和螺旋槽端面开启力呈现逐步变小的趋势,内螺旋槽端面开启力呈现先增后减变化,最后3种槽型端面的开启力趋于同一值;当波度一定时,随着锥度提升,泄漏率增加,开启力增大,液膜刚度变弱。在非接触端面密封中,合理选取波度、锥度与槽型有利于保证密封的非接触状态,提高端面密封的可靠性和工作寿命。     

螺旋槽干式气体端面密封性能的数值分析

建立了螺旋槽气体密封(S-DGS)端面内的等温可压缩二维流气体雷诺方程，用有限元法计算了端面压力分布，将压力分布、密封开启力和气膜刚度的计算值与有关文献值进行了比较。分析了密封端面几何参数对密封性能的影响，各几何参数的推荐值可以确保密封在低泄漏量条件下的高刚度值，并据此提出了S-DGS端面几何参数选择的一般原则，对密封结构优化没计具有一定指导意义。     

密封环圆台型织构化粗糙表面对润滑性能的影响

针对密封环接触面之间的润滑问题,基于Reynolds方程,考虑粗糙度的影响,建立在流体动压润滑状态下圆台型表面织构的数学模型,对密封环接触表面在不同织构参数、不同粗糙度参数下润滑膜压力大小及分布情况进行研究。采用有限差分法、牛顿迭代法研究不同润滑介质下,圆台型微凹坑的几何参数及粗糙度参数对润滑膜平均压力的影响,并与理论数值结果进行对比验证。结果表明:密封环端面的平均膜压随圆台型织构间距、小径的增大而减小,随织构大径的增大而增大;存在最佳织构深度使平均膜压最大;润滑介质黏度越大,密封环端面平均膜压越大;粗糙峰峰高越大,端面平均膜压越小,而粗糙峰波长对端面平均膜压的影响较小,因此粗糙峰应尽可能小;存在织构参数、粗糙度参数的最优组合使润滑膜平均压力值达到最大。     

表面粗糙度对矩形动密封特性的影响

基于耦合了密封圈的弹性变形、流体动力分析和过盈接触的密封性能数值计算流程,利用Matlab 软件编程实现矩形动密封特性的数值计算,得到矩形密封圈的油膜厚度、泄漏量及摩擦力等密封性能参数,分析表面粗糙度对矩形密封圈的润滑状态和泄漏量的影响。结果表明：往复运动速度一定时,随着密封圈粗糙度的增加,密封偶合面的润滑状态由流体润滑转变为润滑润滑状态,密封的泄漏量也呈几何式增加,说明粗糙度对密封圈的工作寿命和密封性能有较大的影响;往复运动速度也是影响矩形密封圈密封性能的关键工作参数之一,密封压力一定时,随着粗糙度的增加,不发生泄漏的临界速度降低。     

基于Fluent的树型槽非接触式机械密封的仿真计算

为了研究树型槽非接触式机械密封在不同工况下的密封性能,确定相关参数的变化规律,通过计算流场分析软件Fluent,采用Gambit软件对树型槽非接触式机械密封三维泄漏模型进行网格划分。基于N-S方程,选用层流模型与SIMPLEC算法,对树型槽非接触式机械密封的三维流场进行了数值研究,计算求得了密封面压力场分布及泄漏量。改变几何参数及操作参数再次模拟,得到了不同参数下流场的压力及泄漏量,并分析了相关参数对树型槽非接触式机械密封的影响,给出了相关几何参数的最优选择区间。     

表面波度对液体椭圆孔端面密封上游泵送特性的影响

表面波度与端面几何型槽的耦合影响使得密封性能的变化规律更为复杂。基于粗糙和波度表面假设,建立空化效应下端面椭圆孔液体上游泵送密封的理论分析模型,对上游泵送端面密封的压力分布和泄漏率进行数值求解计算,分析周向表面波度幅值、数量等几何参数和转速、密封压力等操作参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果显示：表面波度使得密封端面产生更高的流体动压效果,并减弱上游泵送效果,容易导致密封介质的泄漏;随着波高和周向波数的增加,开启力略有增加;泄漏率随着波高的增加呈现正向增强趋势,但波数对泄漏率没有明显影响;在空化效应和表面波度的影响下,速度剪切产生的密封端面开启力可增加50%以上,并形成流体的完全上游泵送;密封压力和膜厚的增加,使得流体的上游泵送性能和密封性下降。     

T型槽柱面气膜密封CFD数值分析

阐述了柱面气膜密封的性能特点,用Proe建立了无槽模型、T型槽模型,用专业网格划分软件Hypermesh划分网格,在Fluent中分析了操作参数对2种柱面气膜密封的影响,结果表明T型槽结构具有更好的动压效应,转速、介质粘度和压差等操作参数对柱面气膜密封性能有较大影响。     

锥度对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

提出一种考虑螺旋槽气体密封端面径向锥度的理论模型。利用有限元法求解密封端面间气膜控制方程——雷诺方程，得到了端面膜压分布。计算了密封稳态性能参数，并与有关文献值进行了比较。分析了端面锥度对密封稳态特性的影响，进一步预测了密封端面出现接触摩擦的临界锥度。结果表明，锥度改变了端面膜压分布，并显著影响开启力、气膜刚度以及泄漏率等参数；过度变形将会导致密封因端面接触或大量泄漏而失效。     

螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究

由于干气密封端面间隙仅为3~5 μm,因而对端面流场气膜参数及其位移变化量的测试技术是个难点,同时也是研究干气密封系统稳定运行的关键点。基于Labview测试系统软件平台,通过编写测试程序建立干气密封端面参数测试系统,确定相应的测试技术,选用合适的传感器等硬件设备,采用必要的抗干扰措施,对影响端面密封性能的参数(泄漏量、功耗、膜压)和端面稳定性参数(膜厚及振动位移)进行测试,研究不同工况下压力和转速对端面参数的影响。试验表明：气膜压力、气膜厚度、泄漏量、功耗随着压力和转速的升高而增大;气膜和静环的位移量随着压力和转速的增加而减小;气膜的振动幅值很微小,特例中仅为0.04～0.16 μm,,说明静环追随动环性能较好;同时,气膜刚度随着压力和转速的升高而增加,反映出高压力、高转速下干气密封能够稳定运行。     

螺旋槽干气密封性能的ANSYS参数化分析

应用ANSYS参数化设计语言APDL对螺旋槽干气密封装置建立了参数化计算模型,并对模型的三维流场进行了数值分析计算,得出了气流的速度分布和压力分布云图。通过在APDL程序中改变计算模型的几何参数,计算得出了螺旋槽的槽长、槽深、槽间距、螺旋角等设计变量对螺旋槽干气密封性能的影响情况,为螺旋槽干气密封的设计提供了依据。