狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟

为进一步优化提升静压干气密封的气膜开启能力,将狭缝节流器与静压干气密封相结合,设计狭缝节流静压干气密封,采用Fluent软件探究狭缝节流器结构参数和布列方式对干气密封性能的影响。结果表明：与经典小孔节流静压干气密封相比,相同节流面积下狭缝节流静压干气密封具有更高的气膜开启力;狭缝、均压槽周径比对静压干气密封气膜开启力的影响相互独立,存在最佳的周径比使得气膜开启力最大;在径向宽度一定的前提下,均压槽的平面空间越充裕,密封间隙内的气膜高压区范围越广、压力均布效果越好;狭缝沿径向、周向的列数增加均能提升气膜开启力;与周向连续狭缝布列相比,非连续性狭缝布列会导致更高的开启力。     

微孔参数对激光加工多孔端面机械密封性能的影响

通过建立激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型,应用有限元方法在给定工况下研究了不同微孔截面型线的微孔深径比ε和面积密度Sp对端面开启力、液膜刚度、摩擦扭矩及泄漏量等密封性能参数的影响规律。结果表明:当微孔深径比ε小于或等于0.2时,激光开孔端面密封的开启力、液膜刚度和摩擦力矩随其的增大急剧下降,但当微孔深径比ε大于0.2时,密封性能受其的影响很小;当面积密度Sp为0.4~0.6时,密封可获得最大的开启力或液膜刚度。     

螺旋排布微孔端面机械密封的性能研究

端面微孔排布方式对激光加工多孔端面机械密封性能影响显著。通过建立螺旋排布微孔端面机械密封的理论分析模型,运用有限元法和数值模拟工具,获得密封端面液膜压力分布。以液膜刚度、开启力、泄漏量和刚漏比等密封性能参数为评价指标,比较径向直排微孔机械密封和螺旋排布微孔机械密封的性能优劣,分析螺旋排布微孔几何参数(螺旋角、径向开孔比、周向开孔比等)对密封性能的影响规律。结果显示,在同等工况下,螺旋排布微孔机械密封相比径向直排微孔机械密封可以显著提高密封端面的液膜刚度、开启力和刚漏比。进一步的优化分析表明,适当的螺旋角、周向开孔比和径向开孔比可以显著提高密封性能。     

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。     

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.     

表面波度对泵用液体圆孔端面密封泄漏特性的影响

考虑密封端面粗糙度、周向表面波度以及空化效应,建立液体圆孔端面密封分析数学模型,通过数值求解不同圆孔排布方式下液体端面密封的压力分布和泄漏率,分析表面波度几何参数（波高、波数）和密封工况参数（转速、密封压力、膜厚等）对开启力和泄漏率的影响。结果显示：周向表面波度明显改变密封端面压力分布;随着波高的增加,密封泄漏率逐渐增加,并且径向局部开孔端面密封的泄漏率小于径向全开孔端面密封的泄漏率,但当膜厚为2 μm时,密封端面局部开孔时的泄漏率反而较大;在低压工况下,波数对两种排布端面密封的泄漏率无明显影响,随着压力的增加,周向波数使得径向全开孔端面密封的泄漏率逐步减小;液体圆孔端面密封的泄漏明显受到转速、密封压力和膜厚的影响,密封压力增加密封泄漏也增大,而转速和膜厚增加密封泄漏则逐渐减小;在高速下,密封端面圆孔排布方式对密封泄漏影响较小。     

激光加工多孔端面机械密封静压分析

建立了在部分密封端面上加工微孔的激光加工多孔端面机械密封理论分析模型,用有限元法求解雷诺方程,获得了不同微孔结构参数下端面的无量纲膜压分布,以获得最大端面静压为目标,提出了微孔结构参数的最优值,指出开孔区长度比最优值约为0.6,面积密度最优值大约为0.5.研究表明在部分密封端面上加工微孔可有效增大端面静压.     

部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分布的理论研究

建立了研究部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分布规律的理论模型,应用有限差分法求解了端面液膜压力的Reynolds控制方程,获得了端面液膜压力分布规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比.研究了微孔密度Sp和微孔深径比ε对端面液膜压力的影响规律.结果表明:部分端面微孔机械密封的端面间液膜压力比端面全微孔的小;端面间液膜沿半径方向的最大压力降发生在孔区域结束处;端面液膜压力值最大值所对应的微孔密度Sp≈0.2,深径比ε≈0.02.     

自加压式动静压混合式气体润滑密封的性能分析

介绍自加压动静压混合润滑气体密封的工作原理,分析其密封特性。采用流体计算软件FLUENT建立不同自加压动静压混合气体润滑密封端面间气膜的数值计算流场,求得气膜的压力和速度分布,得到密封的性能参数,如开启力、刚度、泄漏量。分析该密封在稳定运转状态和启停工作状态的运行特点,与流体动压型气体密封的工作特性进行对比。结果表明:自加压动静压混合密封在运转时具有更大的开启力和泄漏量以及较高的刚度,表现出更好的启停性能;静压引入孔的位置以及均压槽结构对密封开启力及泄漏量有较大影响,静压引入孔在坝区使气膜刚度增大,在动压槽区则使气膜刚度减小。     

动静压混合式密封在液氧泵中应用的关键技术研究

为解决液氧/煤油火箭发动机液氧泵用端面密封存在的磨损问题,提出采用动静压混合式密封的设计思路,并对关键技术进行研究,给出混合式密封液膜密封和气膜密封的一般选用原则,基于数值计算的方法研究静压结构参数对密封气膜刚度和泄漏率的影响规律。结果表明：随着节流孔直径的增加,密封气膜刚度和泄漏率均增加,通常建议节流孔直径的取值范围为0.2~0.3 mm;当均压槽深度从0.1~0.5 mm变化时,密封气膜刚度和泄漏率均保持不变;随着均压槽宽度的增加,密封气膜刚度降低,泄漏率则呈线性增加,通常建议压槽宽度取值范围为0.3~0.6 mm。     

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。     

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。     

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.     

螺旋槽泵出型干气密封端面气膜压力近似解析计算

大多数螺旋槽干气密封采用高压密封气体在密封环外侧的泵入式结构。近来,出现了高压气体在密封环内侧的泵出型螺旋槽干气密封,而这类密封常用来密封液体介质。采用Mu ijderman完善的螺旋槽窄槽理论,给出泵出型螺旋槽干气密封端面气膜力的一种近似解析计算方法,给出计算案例,并与泵入型结构进行对比。计算结果表明,同样条件下,泵出型干气密封的端面开启力小于泵入型。     

端面气膜密封修正准一维可压流分析

对于端面气膜密封中流行应用的不带自由流槽的沿密封坝的径向泄漏,提出了一种修正的准一维可压流分析方法,它既可克服经典理论计算与实际的较大误差,又能延拓以往分析方法的局限。为此,需先知道密封的气膜压力分布和膜厚,这样,需先建立密封气膜压力微分方程,并拟通过有限元法求其稳态解。     

波度及静环静态角偏差对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

建立了考虑螺旋槽气体密封端面周向波度及静环静态角偏差的理论模型。利用有限元法数值求解稳态雷诺方程,得到了端面周向气膜压力分布,进一步分析了不同压缩数下周向波度及静环静态角偏差对密封稳态特性参数的影响规律。结果表明:中、高压缩数下,波度及静环静态角偏差对气膜周向压力分布及径向压力梯度产生显著影响;波幅及波数对密封稳态特性影响不尽相同;过大的静环静态角偏差会导致端面气膜压力出现不均匀的峰值及谷值,使密封产生剧烈偏摆,造成端面瞬间接触,加剧端面磨损,最终导致密封泄漏失效。     

径向变深雁形槽干气密封开启性能研究

为进一步提高雁型槽端面干气密封在低速、低压工况下的开启性能,在等深雁型槽的基础上对槽底结构进行变深优化,提出了收敛型锥度、收敛型阶梯、发散型锥度和发散性阶梯4种槽底变深结构。基于气体混合润滑理论,考虑密封端面粗糙度效应和端面间气体滑移流效应,建立了雁型槽端面干气密封动压开启分析模型,数值分析了槽底变深结构干气密封的气膜压力分布,研究了相对变深坡度、环颈深度和密封压力对变深雁型槽端面干气密封的临界开启转速和气膜刚度的影响。结果表明:与等深槽相比,槽底变深结构可提高密封端面间气膜承载能力和稳定性;在相对变深坡度λ=3/8～4/8时,变深结构干气密封的临界开启转速nc取得最小值,且发散型变深结构略优于收敛型变深结构;相对变深坡度取最优值时,发散型结构干气密封的临界开启转速nc与等深槽相比降低了10.2%。     

激光加工多孔端面机械密封中空化边界条件的比较

建立了激光加工多孔端面机械密封（LST-MS）的动压分析理论模型，在Half-Sommerfeld、Reynolds和JFO等3种不同空化边界条件下应用有限元法求解了端面流体膜压的Reynolds控制方程，研究了微孔结构参数及操作条件对端面无量纲平均动压的影响规律，并对上述空化算法的计算速度和精度进行了比较。结果表明，在一般情况下，采用Reynolds和JFO空化边界条件具有十分接近的预测精度，但是前者的预测速度明显优于后者，而采用Half-Sommerfeld空化边界条件预测精度则很差，建议此时采用Reynolds空化边界条件；对于不能采用Reynolds空化边界条件的情况，则建议采用JFO空化边界条件进行预测分析。