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。     

基于Elrod空化算法的Y形槽液膜密封性能分析

基于质量守恒边界条件建立Y形槽液膜密封性能分析数学模型,采用有限差分法对广义Reynolds方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到液膜承载能力、液膜刚度、摩擦扭矩以及泄漏量等性能参数,并探讨Y形槽液膜密封结构参数对密封性能的影响。结果表明:槽数、周向槽台比和径向槽宽比等结构参数对密封性能有显著影响,液膜承载能力和液膜刚度随着这些结构参数的增大均呈现先增大后减小的趋势,摩擦扭矩随着这些结构参数的增大而增大;泄漏量随着槽数的增加先增大后趋于平稳,随着周向槽台比的增大先增大后减小,随着径向槽宽比的增大而减小;在文中计算条件下,槽数取12~14,槽深取30~35μm,螺旋角取12°~16°,周向槽台比取0.7~1.1,径向槽宽比取0.8~1.0时,Y形槽液膜密封具有较好的稳定性和密封性能。     

波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析

基于流体润滑理论,考虑润滑液膜空化现象和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立波度端面机械密封三维流固热耦合模型,采用SUPG有限单元法求解广义雷诺方程、能量方程和热传导方程,计算端面液膜压力、开启力、泄漏率、摩擦因数等参数,对比分析密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)密封特性。结果表明:随着转速、密封压力、波幅、波数的增加,开启力和泄漏率增加,摩擦因数减小;随着坝宽比、初始膜厚的增加,开启力和泄漏率减少,摩擦因数增加。热效应对密封性能影响显著,随着端面摩擦热升高,润滑液膜压力降低。     

基于多物理场耦合的航空发动机燃油泵液膜密封仿真分析与试验*

针对航空发动机燃油增压泵接触式机械密封润滑失效问题,通过多物理场耦合仿真和试验分析人字槽液膜密封用于燃油增压泵的可行性。基于考虑粗糙度的雷诺方程、能量方程和热传导方程建立液膜密封多物理场模型,分析密封温度特性、泄漏特性等关键性能参数,并针对人字槽液膜密封开展密封性能试验研究。结果表明：与平端面接触式机械密封相比,人字槽型密封端面平均温度降低约50 ℃,有利于密封运行稳定性的提高;试验运行过程中密封各处温度稳定,泄漏量为0,满足燃油增压泵对密封的性能要求。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

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.     

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。     

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。     

快变升速过程的端面密封性能试验研究

为考察端面密封在低黏度介质润滑条件下的特性,采用液氮介质模拟高速涡轮泵低黏介质润滑环境,通过对液氮介质润滑的端面密封进行2 s升速至2.9万转的快变升速过程以及120 s的稳定运行过程的试验研究,获得快变过程的端面温度、泄漏量、摩擦力、摩擦因数等各项密封性能数据。结果表明:随着转速增加,端面温升上升,液氮介质汽化出现两相现象,密封副处在干摩擦状态;当转速上升至24 000 r/min时密封泄漏量明显增加,但未超标;密封系统运转开始时,端面间干摩擦条件下的摩擦力较大,最大摩擦因数值为0.27,随着转速的逐渐增加,摩擦因数逐渐减小,最小摩擦因数为0.14。     

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。     

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。     

超临界二氧化碳干气密封稳态性能研究

以超临界二氧化碳(S-CO_2)干气密封为研究对象,建立变黏度变密度雷诺方程,通过构建物性数据库的方式对黏度及密度进行处理,并采用有限差分法对控制方程进行求解,得到端面压力分布,并计算开启力、泄漏量、摩擦扭矩和气膜刚度等稳态性能参数。结果表明:随着压力、转速的增大,开启力、泄漏量、摩擦扭矩、气膜刚度等参数均增大;随着槽坝比和槽深的增加,开启力、泄漏量和气膜刚度均增大,摩擦扭矩减小;随着槽数的增加,各稳态性能参数均减小;将槽坝比控制在0.5～1的范围内,有助于提高密封稳定性。     

不同T形动压槽液膜密封性能对比分析

针对T形槽机械密封摩擦副密封环端面间的液膜密封性能问题,建立了收敛形、直角形和发散形3种形式的动压槽液膜几何模型;并对3种不同形式动压槽的液膜流场进行了数值计算,得到了对应端面流场的压力分布。讨论了不同工况对3种槽形结构密封性能的影响并进行对比分析。结果表明:3种槽形结构的端面液膜压力分布规律相同,端面液膜压力均在左侧槽底部达到最大值,且动压槽两侧具有明显的压差,能够产生明显的动压特性;3种槽形结构的开启力和泄漏量均随着转速和压力的增大而增大,其中压力对密封性能的影响相对于转速对密封性能的影响较大;发散形槽比直角形和收敛形槽具有更强的动压特性,且拥有较高的开启力和较低的泄漏量,从而具有较好的密封性能。     

端面形貌和流体剪切稀化对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。     

部分端面微孔机械密封性能的理论研究

研究了部分端面微孔机械密封的液膜开启力、液膜刚度、泄漏率和摩擦力矩等密封性能的计算方法,并研究了微孔密度Sp、微孔深径比ε、微孔区域比α等密封结构参数对密封性能的影响规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比.结果表明,微孔密度Sp≈0.2、微孔深径比ε≈0.02时,开启力、液膜刚度和泄漏率最大;摩擦力矩随Sp、ε、α的增加而降低.     

收敛锥面型静压密封流场数值分析

为研究静压式机械密封端面几何形状(收敛面宽度、收敛角度)和工作参数(转速)对密封性能的影响,使用简化的二维模型对收敛锥面型密封端面流场进行数值模拟。计算结果表明:随着收敛面宽度的增加,端面开启力、泄漏量和液膜轴向刚度都相应增加,并在宽度较小的范围内增加趋势较为明显,增大到一定程度后趋于恒定;随着收敛角度的增大,端面开启力和泄漏量同样逐渐增大,并在角度增加到一定程度后趋于不变,而轴向刚度呈现先增大后减小的变化趋势,并在很小的角度范围内变化就很明显,因此为了达到一定的液膜刚度,须控制收敛角在有效尺寸范围内(为0.03°～0.05°);密封面相对转速的变化对密封性能参数影响较小。     

航空发动机轴承腔气液两相润滑机械密封性能分析

针对航空发动机轴承腔气液两相环境非接触式机械密封启动过程的磨损问题,提出高压侧具有引流槽、可实现零泄漏的润滑密封端面结构。基于雷诺方程建立润滑膜流场分析模型,求解计算具有动压-润滑组合槽的机械密封性能,并与普通螺旋槽机械密封进行了性能对比,讨论高压侧引入润滑槽对液膜厚度、液膜刚度、泄漏率以及摩擦性能的影响规律,通过高速性能试验及摩擦磨损试验验证计算的准确性和端面的减磨效果。端面结构在低速阶段的接触摩擦试验显示,具有组合槽的密封端面在相同的启停工况下端面摩擦因数可以有效降低50%～75%,高速性能试验结果显示,具有组合槽和仅有动压槽的机械密封在工况范围内均能保持理想的负泄漏率,说明气液两相润滑机械密封能够在工作环境中处于理想的泵送状态,实现了对润滑油的绝对密封效果。外侧深槽与动压浅槽组合的机械密封端面结构可以显著改善端面摩擦磨损状况,可为高速和超高速轴承腔气液两相机械密封端面减磨优化设计提供参考。     

多相介质泵用高压密封设计及性能分析

针对多相介质泵用机械密封运行特点,为避免介质含气量大范围波动而影响密封端面润滑膜的稳定性,开展高压双端面机械密封结构和端面槽型设计,通过变形校核证明结构设计合理。建立密封端面深槽流体润滑模型,采用数值计算方法进行求解,分析不同开槽面积比的圆弧型槽的端面泄漏量、开启力等主要密封性能随工况参数的变化规律。结果表明：高压状态下,密封端面开深槽能有效改善端面润滑状态;端面泄漏量和开启力随着开槽面积比的增大而变大,同时压力越大,端面泄漏量和开启力也越大,但转速对端面泄漏量和开启力的影响不大。对设计的密封进行台架性能试验验证,获得的密封端面泄漏量变化规律与数值计算结果趋势保持一致。     

波度和锥度对机械密封稳态特性影响研究

基于质量守恒控制方程,建立考虑周向波度和径向锥度的机械密封几何模型,采用有限差分法对控制方程进行离散,并通过高斯-赛德尔法进行迭代,得到端面间压力分布,并分析周向波度和径向锥度对泄漏量、开启力等密封性能参数的影响。结果表明：端面波数的变化对开启力、泄漏量及摩擦扭矩的影响较小;端面波幅值的增加使得端面的开启力、泄漏量和摩擦扭矩同时增大;锥度的增大导致开启力和泄漏量的增加,且锥度正向增加有利于改善液膜的承载能力。     

螺旋槽动压密封液膜汽化相变性能优化分析

针对螺旋槽动压密封液膜发生汽化相变后,严重影响密封运行的可靠性和稳定性的问题,基于密封端面液膜汽化相变,建立了其数值计算模型。采用了以泄漏量和开启力两个密封性能参数为优化目标,螺旋角、槽数、槽深、槽坝比和槽堰比5个密封端面结构参数为变量的五因素、五水平的正交优化试验方案;研究了密封端面液膜汽化相变下,不同密封端面结构参数对密封性能的影响规律。研究结果表明:密封结构参数对泄漏量和开启力的影响灵敏度不同,设计的正交试验方案可以有效地对密封性能进行优化,可为此类工况下的密封装置的结构优化设计和实际操作提供参考。