新型动静压混合润滑机械密封结构参数优化

以流体膜为研究对象,建立了新型动静压混合润滑密封端面的三维模型,并利用流体力学软件FLUENT对端面流场进行数值模拟,得出主要结构参数(动压槽深度、静压槽深度、动压槽宽比、静压槽宽比)对端面开启力、两侧泄漏量等密封性能的影响规律。通过分析得出各结构参数的大致范围,从而对新型动静压混合润滑机械密封结构进行了优化。     

低速运转气膜机械密封端面粗糙度对其密封性能的影响

以螺旋槽气体润滑机械密封为研究对象,采用有限单元法分析了各向同性的粗糙度对低速运转气体润滑机械性能的影响,并提出了适用于低速运转气膜机械密封特性分析的修正雷诺方程。理论分析表明:低速运转条件下,表面粗糙度对气膜机械密封各项性能均有较大的影响,在研究气膜机械密封特性时,要考虑表面粗糙度的影响;在特定膜厚条件下,当膜厚与粗糙度均方根的比值大于3~4时,表面粗糙度对密封性能的影响可以忽略不计;在较大粗糙度下,虽然密封开启力、气膜刚度随转速增加而显著提高,但同时泄漏量也明显加大,因此随着转速增加,较大粗糙度对气膜密封低速运转性能是有害的。     

槽底倾斜度对螺旋槽干气密封性能的影响

提出一种可以计算斜底螺旋槽干气密封性能的近似解析方法。构建槽底倾斜螺旋槽干气密封的气膜厚度表达式,基于螺旋槽的窄槽理论,近似解析求解其气膜压力控制微分方程,获得槽底倾斜螺旋槽干气密封端面气膜压力分布,进而获得端面开启力、气体泄漏率和气膜刚度等密封性能,并将结果与Fluent软件计算结果进行对比,两者的结果吻合。计算结果表明:斜底槽对密封开启力和泄漏率的影响规律取决于初始槽深;与平底槽比较,当初始槽深较小时,斜底槽的开启力较小,但泄漏率也较小;当槽深较大时,斜底槽具有较大的气膜开启力,槽底倾斜程度越大,开启力越大,但同时泄漏率也越大;一般地,斜底槽具有较大的轴向气膜刚度,槽底倾斜程度越大,气膜刚度越大,抗干扰能力越强。     

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。     

外加压静压型机械密封均压槽设计对动态性能的影响

外加压静压气体密封在启停等低速运转状态下具有良好的性能,并且便于通过调节气源进行干预。密封在运行过程中会受到非浮动环的窜动和偏摆的影响,故需要良好的追随性以维持密封稳定有效工作。本文采用小扰动法分别计算了采用整周和分区均压槽的外加压静压气体密封的动特性系数,然后进一步计算追随性,并进行了对比。结果表明,采用不同均压槽形式的密封在轴向上的性质差别不大,但相比于采用整周均压槽,采用分区均压槽的静压气体密封具有显著更高的角向直接动刚度、更好的对非浮动环偏摆的追随性。     

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。     

水蒸气润滑螺旋槽干气密封性能分析

水蒸气润滑干气密封是一类特殊的干气密封,端面的润滑气体为水蒸气。为了研究水蒸气润滑干气密封的性能,采用无限窄槽理论,并采用RK方程来表达水蒸气的实际气体的行为。对螺旋槽的气膜压力控制方程进行了修正,分析水蒸气润滑干气密封的开启力、气膜刚度、泄漏率、气膜摩擦力矩和热平衡气膜厚度。结果表明:低压时,泄漏率随膜厚增加先减小再增加,中高压时,泄漏率随膜厚增加而增加,实际气体行为对泄漏率的影响较大;摩擦力矩随膜厚增加而减小,实际气体行为对摩擦力矩无影响;当温度为300℃,压力为0.5 MPa时,在常见的工作膜厚范围内,剪切发热速率始终大于膨胀吸热速率,不能获得热量平衡膜厚,压力为2和5 MPa时,实际气体的热量平衡膜厚均小于理想气体,两者相差分别为0.886%和2.932%。     

螺旋槽旋转密封瞬态启停工况动态特性分析

启停过程中旋转密封工作状态不稳定,其润滑性能对旋转密封的可靠性影响很大。通过耦合流体动压效应、挤压效应和粗糙峰接触特性,建立螺旋槽旋转密封摩擦动力学模型,计算瞬态启停工况时密封环的端面液膜厚度、粗糙峰承载力及泄漏量等润滑参量,分析螺旋槽旋转密封启停工况的瞬态行为。结果表明:在瞬态启停工况中,螺旋槽旋转密封有快速稳定的阶跃响应,在很短时间内能重新回到稳定工作状态;转速阶跃变化过程中,流体动压效应、挤压效应、流体动压效应先后成为影响螺旋槽旋转密封润滑特性的主要因素;外圆面摩擦力的存在有利于改善启停工况的润滑特性。     

静压气体润滑机械密封性能分析

采用解析法分析外加压静压气体润滑机械密封(或称为静压干气密封)的节流孔直径、介质压力、气源压力等对其密封性能的影响。结果表明:节流孔直径、介质压力、气源压力的增加将导致开启力增加;较小的节流孔直径在较小工作气膜厚度下可获得较高气膜刚度;在气源压力恒定的情况下,较大的节流孔直径会导致较大的泄漏率,但随介质压力的增加,气膜刚度及向介质侧的泄漏率都会减小;提高气源压力,气膜刚度增大,在气膜厚度4～6μm之间增幅最为显著且能获得最大刚度;随着气源压力的增大,向端面两侧的泄漏率都有所增大;选用较小节流孔直径、提高气源压力或降低介质压力能保证密封的高刚度,提高其运行稳定性。     

新型动静压混合润滑机械密封流场数值研究

以流体膜为研究对象,建立了新型动静压混合润滑密封端面的三维模型,并利用流体力学软件FLUENT对端面流场进行数值模拟,得出端面液膜的压力分布及速度分布.通过与静压和动压式密封对比,分析了操作参数(如封液压力、转速)对密封性能的影响规律.结果表明,该密封兼有动压与静压两种密封形式的特点,泄漏量小,液膜刚度大,适合于低速非接触密封.     

Design methodology for an air-lubricated seal

A methodology to design an air-lubricated piston seal for pneumatic actuators is described. Such a seal permits a small air leakage through a very narrow gap between the seal lip and the counterpart; this air film both avoids contact and ensures lubrication at the seal-counterpart interface thus permitting reduced friction and wear. Subsequently the use of grease could be limited or avoided. A seal geometry equipped with a self-pressurized balancing chamber was designed to make leakage as insensitive as possible to the supply pressure and to the barrel machining tolerances. A prototype was manufactured and tests were carried out.     

动静压混合气体润滑轴承动态稳定性实验研究

对动静压混合气体润滑轴承进行了动态稳定性试验。通过实验呈现了气体润滑轴承-转子系统中的气膜涡动和混沌振动现象,分析了动态失稳过程中,分叉、混沌等非线性特征与动态稳定性的关联性。结果表明,系统是由周期1的同频涡动开始,气膜涡动导致倍周期分叉,而进入周期2运动形式;随着振动加剧,系统通过时间很短的周期3运动进入混沌;利用混沌振动的"有界"性质,可以有效控制振幅,提高稳定性。     

Thermoelastohydrodynamic Gas Lubrication of Spiral-Groove Face Seals: Modeling and Analysis of Vapor Condensation

Vapor condensation in gas lubrication of high-pressure spiral-groove face seals is analyzed in this article. A mathematical model of vapor condensation elastohydrodynamic lubrication (EHL) is developed taking into account gas humidity and thermoelastic deformation of seal rings. Vapor condensation is numerically predicted at high speed and pressure. It is found that vapor condensation usually occurs in the sealing dam region, where the lubrication state changes from gas lubrication to gas–liquid lubrication. The vapor condensation rate increases with an increase in humidity and seal pressure. Under high-pressure conditions, seal clearance has a significant influence on the vapor condensing rate but the rotational speed does not.     

双向旋转树型槽密封端面气膜动压特性

基于气体润滑理论,建立了双向旋转树型槽干式气体端面密封的数学分析模型,对比了双向旋转树型槽与螺旋槽密封端面的压力分布,讨论了树型槽的动压开启特性,以及操作参数对密封特性参数的影响规律。结果表明,双向旋转树型槽干气密封不仅能够实现双向旋转,而且具有较好的动压效应。双向旋转树型槽干气密封的动压效应受压缩数、密封压力等操作参数及端面间气膜厚度的影响显著,压缩数增加,动压开启能力增强;密封压力增加,动压开启能力降低。     

Numerical Analysis of a Spiral-groove Dry-gas Seal Considering Micro-scale Effects

A dry-gas seal system is a non-contact seal technology that is widely used in different industrial applications.Spiral-groove dry-gas seal utilizes fluid dynamic pressure effects to realize the seal and lubrication processes,while forming a high pressure gas film between two sealing faces due to the deceleration of the gas pumped in or out.There is little research into the effects and the influence on seal performance,if the grooves and the gas film are at the micro-scale.This paper investigates the micro-scale effects on spiral-groove dry-gas seal performance in a numerical solution of a corrected Reynolds equation.The Reynolds equation is discretized by means of the finite difference method with the second order scheme and solved by the successive-over-relaxation(SOR) iterative method.The Knudsen number of the flow in the sealing gas film is changed from 0.005 to 0.120 with a variation of film depth and sealing pressure.The numerical results show that the average pressure in the gas film and the sealed gas leakage increase due to micro-scale effects.The open force is enlarged,while the gas film stiffness is significantly decreased due to micro-scale effects.The friction torque and power consumption remain constant,even in low sealing pressure and spin speed conditions.In this paper,the seal performance at different rotor face spin speeds is also described.The proposed research clarifies the micro-scale effects in a spiral-groove dry-gas seal and their influence on seal performance,which is expected to be useful for the improvement of the design of dry-gas seal systems operating in the slip flow regime.     

循环氢压缩机填料密封泄漏的原因分析及改进

对某柴油加氢改质装置循环氢压缩机试车过程中出现的气缸高压填料密封泄漏问题进行分析,从填料密封材质和填料系统结构两方面对气缸高压填料进行设计改进,如提高填料材质耐磨性和弹簧强度,增加注油口以保证填料润滑均匀,法兰增加O型圈以防止气体从填料盒泄漏,改进水循环方式使冷却效果更佳。该改进方案使机组高压填料密封泄漏问题得以解决,为国内同类设备处理类似问题提供了参考。     

往复式低温制冷机的气体润滑

对低温机械应用气体润滑技术的情况进行了综述及讨论,重点针对往复式低温机械活塞密封的气体润滑,分析了低温活塞膨胀机气体润滑活塞密封的结构特点、性能及使用,介绍了低温制冷机迷宫密封的应用概况,反映了微型制冷机中最新研发气体轴承活塞的结构特点及动态.     

干气密封T型槽底部微纹理织构性能研究

为提升干气密封中双向旋转式密封的密封性能,选取干气密封T型槽为研究对象,在T型槽中设计4种有序微纹理。基于气体润滑理论,采用有限差分法求解雷诺方程,以转速、压力、气膜厚度、微纹理深度为自变量,研究各参数对T型槽密封性能的影响规律。结果表明：微纹理造型设计可有效提升密封性能;转速和压力提高、气膜厚度降低均可提高开启力,压力提高、气膜厚度变大、转速降低可引起泄漏量增加;4种微纹理T型槽的密封性能随工况参数变化规律基本一致;径向微纹理排列相比于周向排列的密封效果更好,复合型微纹理排列效果比单一排列密封效果更好,其中纵-横微纹理的T型槽的密封性能最好。