干式气体端面密封性能的有限元分析中形函数的选择

基于二维稳态可压缩气体雷诺方程,采用不同形状函数,编写了计算光滑面螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)端面压力分布的有限元程序。利用计算程序比较了4种形状函数对S-DGS密封性能的计算效率和计算精度的影响,认为三角形单元在满足高计算精度的同时,运算速度也最快。密封性能参数计算值与文献值吻合较好。     

直线槽端面气体密封分析计算

分析了直线槽端面气体密封间隙内的气体运动并建立了雷诺方程，用有限元方法对该方程进行了求解，得出了直线槽气体密封间隙内气体的压力分布；研究了直线槽气体密封端面几何参数对于密封性能的影响，并提出了直线槽气体密封具有“开启速度”的现象；以较大刚度时的最大刚漏比为目标函数，利用优化理论进行多参数单目标四维寻化计算，绘出了优化曲线图。     

周向波度气体密封的动态特性

基于摄动法求解周向波度气体密封的动态Reynolds方程,得到动态气膜压力分布。计算周向波度气体密封的气膜动态刚度和阻尼系数,分析扰动频率及密封端面几何参数,如波数、波幅和坝宽比对气膜动态特性系数的影响规律。结果表明:当扰动频率小于转轴角速度时,其对气膜动态特性系数影响不大,反之有较大影响;波数对气膜动态特性系数影响不大,随着波幅的增加主刚度系数和阻尼系数都随之减小,耦合刚度系数则几乎不受影响,随着坝宽比的增加刚度系数基本保持不变,阻尼系数均增加。     

表面粗糙度对螺旋槽干式气体密封性能的影响

考虑螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的表面粗糙度,通过求解可压缩流平均雷诺方程,研究了不同速度条件下密封端面不同区域的各向同性表面粗糙度对密封气膜刚度和泄漏量的影响。结果表明:密封端面各区域表面粗糙度对密封性能的影响规律各不相同,并且转速对表面粗糙度与密封性能的关系产生影响;为满足气体密封具有较高气膜刚度的同时具有较低的泄漏量,同时满足较高的性价比,设计时应选取合适的表面粗糙度值。     

考虑滑移流条件下干式气体端面密封的有限元分析

采用Borgdorfer推导的修正雷诺方程,应用有限元法分析了滑移流效应对螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)性能的影响。结果表明,在低速和低压条件下,密封的端面开启力、气膜刚度和泄漏量均受到滑移流的显著影响,其中当密封压力为0.152~0.303 MPa时影响最显著。     

差速浮动式传输密封性能分析

介绍一种新型的非接触式轴端机械密封——差速浮动式传输密封的工作原理及密封机制,根据流体力学的基本原理和静压气体润滑理论,建立传输密封泄漏量、压力分布、摩擦转矩、端面温升、承载能力和液膜刚度的计算公式。利用MATLAB软件对传输密封的性能进行数值模拟,分析密封结构参数和动力参数对密封性能的影响。分析结果表明,端面泄漏量的重要影响因素是端面间隙、液压油的压力波动和液压油的黏度,动环转速对泄漏流量的影响很小;密封间隙中主要以混合摩擦为主,且摩擦转矩与端面压力成正比,与密封间隙近似成反比例关系;密封间隙中的液膜刚度在初始液阻比为1时取最大值,且液膜刚度与端面压力成正比,与密封间隙成反比例关系。     

激光加工的多孔端面机械密封的性能数值分析

建立激光加工多孔端面机械密封的分析模型,采用有限差分法求解雷诺方程,得到不同操作条件和微孔结构参数 下密封端面间的流体压力分布,进而可以计算端面间的密封开启力和液膜刚度。通过分析端面结构参数对密封开启力 和液膜刚度的影响规律,可得到端面结构的优化参数。分析结果表明,微孔密封面可产生明显的动压效应。     

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。     

气体多孔端面机械密封孔径尺寸对密封动态性能影响研究

建立了气体润滑微孔端面机械密封(LST-MS)的气膜压力控制方程及雷诺方程,利用有限差分法和小扰动法计算了气膜稳态和动态压力分布,分析研究了频率数、面积比和布孔方式等参数对密封动态刚度和阻尼等表征气膜特性参数的影响.结果表明,高频扰动易使密封产生气膜振荡而导致密封失稳;孔径尺寸对密封气膜影响明显,随微孔列数的增多,刚度和阻尼均将逐渐趋于某一稳定值,频率数越大,则稳定值对应的微孔列数越多.     

端面周向波度密封中流场的数值模拟

建立端面周向波度密封密封端面间液膜流场的数值模型,采用计算流体力学软件FLUENT对密封间隙中的液膜进行三维数值模拟,得到液膜流场的压力分布,求得密封的泄漏量、开启力和刚度等密封特性参数,分析密封几何参数(如波幅、波数、密封环坝区的宽度与密封环宽度之比)对密封性能的影响.结果表明:随着液膜厚度的增加,开启力减小,泄漏量增大;密封几何参数对密封特性参数的影响存在一定的规律,如波幅越大、波数越多,密封环端面的流体动压效应越明显,而随密封环坝区的宽度与密封环宽度之比的增加,开启力、泄漏量和刚度都减小.     

Gas film disturbance characteristics analysis of high-speed and high-pressure dry gas seal

The dry gas seal(DGS) has been widely used in high parameters centrifugal compressor, but the intense vibrations of shafting,especially in high-speed condition, usually result in DGS's failure. So the DGS's ability of resisting outside interference has become a determining factor of the further development of centrifugal compressor. However, the systematic researches of which about gas film disturbance characteristics of high parameters DGS are very little. In order to study gas film disturbance characteristics of high-speed and high-pressure spiral groove dry gas seal(S-DGS) with a flexibly mounted stator, rotor axial runout and misalignment are taken into consideration, and the finite difference method and analytical method are used to analyze the influence of gas film thickness disturbance on sealing performance parameters, what's more, the effects of many key factors on gas film thickness disturbance are systematically investigated. The results show that, when sealed pressure is 10.1MPa and seal face average linear velocity is 107.3 m/s, gas film thickness disturbance has a significant effect on leakage rate, but has relatively litter effect on open force; Excessively large excitation amplitude or excessively high excitation frequency can lead to severe gas film thickness disturbance; And it is beneficial to assure a smaller gas film thickness disturbance when the stator material density is between 3.1 g/cm~3 to 8.4 g/cm~3; Ensuring sealing performance while minimizing support axial stiffness and support axial damping can help to improve dynamic tracking property of dry gas seal. The proposed research provides the instruction to optimize dynamic tracking property of the DGS.     

Parametric Study of Spiral Groove Gas Face Seals

A finite element analysis for the isothermal flow in spiral groove gas face seals is detailed along with a successive approximation method for the iterative solution of the nonlinear Reynolds equation. Zeroth- and first-order pressure fields are calculated for evaluation of the seal opening force and leakage and the axial stiffness and damping force coefficients, respectively. A parametric study shows the static and dynamic force behavior of a baseline SGFS operating with a large pressure ratio. The recommended geometric parameters presented ensure large static stiffness and damping force coefficients while still allowing for low seal leakage rates. A reduction in the power loss and a significant increase in the seal static stiffness coefficient are unique features of thin seal dams.     

激光加工多孔端面机械密封变形的数值分析

针对离心泵用激光加工多孔端面机械密封,通过采用有限元法求解雷诺方程获得密封端面流体膜压分布,计算了不同约束、不同结构动、静密封环的力变形以及端面泄漏量、液膜刚度和刚漏比等密封性能参数,分析了变形对密封性能的影响。结果表明:端面变形对密封性能影响很大,将导致泄漏量增大,刚漏比减小;密封环的约束对变形起着重要作用,选择合适的约束可以减小密封面转角,提高液膜刚度,增强密封工作稳定性。     

A Modified Face Seal For Positive Film Stiffness

A modified face seal having a positive film stiffness is described and analyzed. The axial film stiffness is obtained by simply extending the seal nosepiece towards the shaft, thereby producing an annular clearance seal in series with the original face seal.

Conditions for maximum film stiffness and pressure balance operation of the modified seal are derived. A comparison is made between the modified and a conventional face seal and the new seal is found to be superior from a standpoint of overall performance.     

衍生螺旋槽对超临界二氧化碳干气密封微气膜稳态特性影响*

以衍生螺旋槽为研究对象,建立衍生螺旋槽端面微气膜三维流动模型,通过软件REFPROP获取CO2在不同压力温度下的物性参数,并导入Fluent计算得到了衍生螺旋槽和经典螺旋槽的膜压分布。对比分析衍生螺旋槽和经典螺旋槽S-CO2干气密封开启力、泄漏率和气膜刚度,讨论不同入口压力和转速下湍流效应、实际气体效应以及离心惯性力对密封稳态性能的影响,揭示多种效应交互耦合对S-CO2干气密封气膜动态特性的密封机制。结果表明：衍生螺旋槽的气膜开启力、泄漏率和气膜刚度等性能参数优于经典螺旋槽,这是衍生螺旋槽两级台阶作用的结果;随着转速的增加,在湍流效应和离心惯性力的交互耦合作用下,开启力、泄漏率及气膜刚度先增大后减小,随入口压力的增大,气膜开启力、泄漏率和气膜刚度均呈近似线性增大,且压力越大衍生螺旋槽和经典螺旋槽的差异越来越明显。     

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。     

基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析*

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。     

圆弧槽流体动压型机械密封的性能研究

以核主泵用圆弧槽流体动压机械密封为研究对象,建立了端面液膜压力控制方程,应用有限元法分析了稳态工况下圆弧槽几何结构参数对密封性能参数的影响,以在较高液膜刚度条件下获得较低泄漏量为几何参数的优化准则,得到了密封具有优良综合性能的几何参数优选范围.结果表明:当槽深比为2.0～6.0,槽数为8～24,槽宽范围在0.75 mm至端面外内半径之差的1/2,圆弧槽内半径小于和等于时端面外内半径之差的1/2时,密封具有优良综合工作性能.