超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象，分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化，在考虑阻塞流效应的同时，采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解，分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明：S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中，如果工况参数设置合理，将由超临界态逐渐转变为气态，并不会出现液态；较低的进口压力、进口温度以及转速，均会容易导致潜在的凝结流动发生；相比于工况参数对相态分布的影响，槽形参数对相态分布的影响较小，近乎可以忽略；开启力除了随进口温度的升高而减小外，均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大；泄漏率随进口温度和转速的增大而减小，但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。     

干气密封滑动密封端面高频微幅摩擦振动研究

为揭示干气密封端面间摩擦振动规律,通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析,基于分形理论构建包含分形参数的密封端面法向位移激励,以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型,并对摩擦振动系统模型的影响因素进行数值分析。研究结果表明:法向振动位移和速度随着分形维数与转速的增大先增大后减小;密封环面分形维数在1.3左右,以及密封环面平均滑动速度为67.86 m/s时会导致密封端面在法向出现共振现象;法向振动位移和速度随着特征尺度与摩擦因数的增大而增大;法向振动以准周期的高频微幅振动规律变化,相比于特征尺度,分形维数对法向振动的影响更加显著,而摩擦因数对法向振动来说不是一个敏感因素;切向振动位移和速度随着摩擦因数的增大而增大,而且以周期性的高频微幅振动规律变化;摩擦因数对系统切向振动的影响比对法向振动的影响更加明显。     

超临界二氧化碳干气密封热-流-固耦合建模与变形特性分析

为研究超临界二氧化碳干气密封密封环的变形分布,揭示工况条件对密封环变形的影响规律,在考虑CO_2真实气体效应的同时,建立考虑密封环对流换热的热-流-固耦合计算模型,借助CFD和CSM计算机仿真技术,研究超临界二氧化碳干气密封动、静环在多重载荷共同作用下的变形规律。研究结果表明:密封环轴向最大热-流-固变形出现在耦合面,热变形和力变形方向相反,其中热变形起主导作用;转速增大,密封环最大轴向热变形和力变形增大,动环最大轴向热-流-固耦合变形减小;介质压力增大,动环和静环最大轴向力变形分别增大66.25%和6.18%,最大轴向热变形和热-流-固耦合变形均减小;进口温度上升,动环和静环最大轴向热变形分别增大40.79%和34.90%,最大轴向力变形基本不发生改变。     

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。     

高速高压螺旋槽干气密封端面温度的测试分析

由于高工况和端面间隙3~5 μm, 因而对端面温度的测试技术是个难点, 更是研究端面微尺度热流体力学的关键点。采用LabVIEW对端面温度编写测试程序, 选定符合要求的传感器等设备, 确定相应的测试技术, 采取抑制干扰的措施, 对端面温度进行测试, 研究不同工况和启停阶段下端面温度的分布和其原因。试验结果表明:不同压力和转速下, 端面的温度分布:根径大于内径大于外径, 最高温度发生在根径处, 为90.90℃, 说明非接触状态下, 以根部大压降引起的热耗散所产生的温升为主。启停阶段外径温度最高, 说明接触状态下, 以固体壁面间摩擦产热为主。这与先前利用热耗散变形得到的理论结果相吻合, 验证了根径区域为温度最高点。试验结果为今后考虑热耗散下的槽形优化提供了依据。     

高参数上游泵送机械密封性能计算与分析研究*

以螺旋槽上游泵送机械密封为研究对象,用有限差分法离散Reynolds方程,基于轴向力平衡条件作为迭代收敛准则,采用逐次超松弛迭代(SOR)法在Mathematica软件中编程求解液膜压力分布,以及相关密封特性参数,并分析不同工况参数与结构参数对密封特性的影响。研究结果表明:泵送率随进口压力的增加呈非线性减小,随转速、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性增大;液膜摩擦因数随着转速的增加近似以线性方式增大,随进口压力、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性减小;随着螺旋角的增大泵送率先增大后减小,而液膜摩擦因数表现出与泵送率相反的趋势,说明螺旋角存在最优值;相比于结构参数对密封特性的影响,工况参数的影响较大。     

仿树形槽干气密封稳态性能分析*

针对经典螺旋槽干气密封在反向旋转时动压效果较差,易遭受磨损、失稳等问题,提出一种新型双向旋转式仿树形槽。首先应用SolidWorks软件建立气膜三维模型,然后应用ICEM软件进行网格划分,最后在Fluent软件里对流场进行仿真模拟,将不同膜厚、槽深、转速等参数下开启力、泄漏率的计算结果与螺旋槽进行对比。结果表明：仿树形槽相较螺旋槽可产生明显的动压效应,且开启力较大,但其泄漏率较高,其中仿树形槽膜厚取2 μm,槽深取5~7 μm时,密封性能较好;膜厚和槽深对密封性能有较大的影响,干气密封开启力随膜厚增大而减小,随槽深的增大而增大;压力和转速增大2种槽型开启力都随之增大,但相比螺旋槽,仿树形槽密封性能受转速影响更小,且具有更好的开启效果。仿树形槽在实现双向旋转的同时也具有较好的密封性能,为双向旋转式干气密封槽型的设计提供一定的参考。     

基于CEEMDAN-ICA的干气密封振动信号降噪方法*

干气密封运行过程中的振动信号特征信息微弱并受外界强噪声干扰,其振动信号难以真实反映干气密封摩擦学特性。针对上述问题以及振动信号难以从噪声中分离的问题,提出一种基于CEEMDAN（自适应噪声的完全集合经验模态分析）与ICA（独立成分分析）相结合的信号降噪方法。首先对试验采集的干气密封运行时的加速度信号进行CEEMDAN分解得到IMF分量,然后通过ICA变换得到对应独立成分分量并计算其模糊熵值,将模糊熵值不符合条件的分量进行置零,并把符合条件的分量进行重构得到降噪后信号。利用干气密封加速度实验信号进行算法分析验证,证实了该方法相较于其他传统降噪方法更加有效,为干气密封故障诊断提供了一种新的途径。     

柔性端面气膜密封流场分析及密封特性研究

提出一种航空发动机主轴承端适用密封——柔性端面气膜密封。通过对三种密封端面变形情况下的压力控制方程进行求解,获得密封气膜微尺度流场特性的演变规律,并探讨关键密封性能参数与工况条件的相关性。研究结果表明：柔性端面在带压气膜的作用下发生变形,其中波箔片的变形起主导作用,平箔片的影响可忽略不计;相较于刚性端面,柔性端面可有效增大气膜开启力,同时泄漏量也增大;在不同进出口压力比、转速以及初始气膜厚度下,二者部分密封特性呈现出不同的变化趋势,间隙楔形效应使柔性端面的黏性摩擦力矩和气膜刚度变化率均小于刚性端面的相应数值。通过研究结果推断,柔性端面结构可在高速低压工况下具有更稳定的综合密封性能。     

湍流效应对干气密封性能影响的研究进展

在干气密封的理论研究与设计计算过程中,一般都是基于层流流动假设下进行的,但随着密封运行工况渐趋于高参数化、工艺介质多相化,在高参数、极端复杂工况下时流体会处于湍流流动状态,传统的层流流动理论就变得不再适用,因此在干气密封的理论设计与研究中就需要考虑润滑气体的湍流效应。总结现今应用较为广泛的3种湍流润滑模型,即Constantinescu模型、Ng-Pan-Elrod模型和Hirs模型,并介绍各模型的理论基础与适用范围。对湍流润滑方程及其在不同模型下的湍流系数表达式进行说明,综述考虑湍流效应对干气密封稳、动态性能影响的国内外研究进展。