多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析

考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明：多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。     

浸酚醛树脂石墨/SiC密封材料摩擦学特性研究

采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机研究了3种国产典型浸酚醛树脂石墨与SiC陶瓷配对副在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学特性,结果表明：干摩擦下,摩擦因数随载荷p与速度v的乘积（pv值）的增大呈下降趋势;pv值较小时,磨损机理主要为轻微黏着磨损和磨粒磨损,pv值较大时则变为严重黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损;相同条件下的磨损率受速度的影响比受载荷的影响更大;油润滑下,摩擦因数保持在0.1左右,磨损机理主要为黏着磨损和疲劳磨损;pv值增至5 MPa·m/s时,干摩擦下3种浸渍石墨摩擦副表面最大温升为21.1 ℃,油润滑下最大温升为14.9 ℃且H1石墨温升均最低。综合考虑浸渍树脂石墨的力学性能、摩擦学特性和端面温升,推荐石墨化度为45%～55%。     

基于多变量摄动的超临界CO2干气密封动态特性

超临界CO₂压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO₂和N₂干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO₂干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明：高频下超临界CO₂干气密封的刚度和阻尼系数较N₂干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。     

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明:在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。     

近临界区CO2物性预测模型对比与修正

超临界二氧化碳(SCO_2)布雷顿循环系统是未来极具潜力的发电能量转换系统,CO_2物性表征模型对布雷顿循环系统中动力设备转轴密封和轴承性能的预测精度影响显著。在总结权威文献中不同温度和压力下CO_2物性实验测试数据的基础上,对比分析了经典物性查询软件REFPROP软件中CO_2密度、黏度和热导率预测模型的预测精度,获得了预测精度最高的物性预测模型及对应临界点附近误差较大的区域,采用人工神经网络算法获得了近临界区预测精度更高的CO_2物性预测模型。结果表明:REFPROP软件中的FEK模型、VS1模型和TC1模型分别对CO_2的密度、黏度和热导率具有最高的预测精度,不过其在近临界区的物性预测最大和平均误差仍分别达到40%和8%以上,利用神经网络算法所获得的CO_2物性预测模型可使近临界点区的物性预测最大和平均误差分别降至30%和4%以下。     

端面型槽广义对数螺旋线的通用模型与应用

为解决流体润滑端面型槽设计中经典型线形状优化受限的问题,提出一种广义对数螺旋线模型,获得了斜直线、圆弧线、抛物线和椭圆曲线等经典几何型线的广义螺旋线表达式,掌握了不同参数条件下广义对数螺旋线的几何共性及演变规律。以气体推力轴承为例,对比分析了高速条件下广义螺旋角的分布规律和变化幅值对推力轴承承载性能的影响规律,结果表明:广义对数螺旋线具有很强的几何表征能力,从外径至内径侧流道渐扩的广义对数螺旋槽端面具有最大的气膜承载力。     

非规则V形表面织构化机械端面密封性能研究

针对一种新型非规则V形表面织构化机械密封端面,建立了界面液膜的润滑模型,采用有限单元方法求解雷诺方程,研究了表面织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力对端面密封的承载力、泄漏率、摩擦因数和液膜刚度等密封性能参数的影响规律,并对经典三角形织构和圆形织构化端面密封进行了对比分析。结果表明：端面新型非规则V形织构具有收集和汇聚液膜的作用,增强了动压效应;织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力的变化对V形与三角形表面织构的密封性能影响较大,而对圆形织构表面的密封性能影响不明显;在研究几何和工况参数范围内,这种新型V形表面织构的机械密封性能相对较优,其承载力、摩擦因数与液膜刚度均略优于三角形织构,远优于圆形织构,研究结果可为织构化端面密封的设计开发提供支持。     

节流孔出气模式对静压干气密封稳态性能影响

以径向单列和多列小孔节流静压干气密封为研究对象，采用湍流大涡模拟方法分析了节流孔位置和气膜厚度对单列小孔节流静压干气密封开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能的影响，对比分析了不同节流孔径向出气模式和周向排布对径向多列节流静压干气密封稳态性能的影响，获得了不同膜厚条件下最佳的节流孔出气模式，在此基础上提出一种出气模式在线可调的新型静压干气密封结构。结果表明：相较于经典单列节流静压干气密封，小膜厚时（膜厚＜10 μm）径向上、下游同时开孔的多列节流静压干气密封，以及大膜厚时（膜厚>10 μm）径向上、中、下游同时开孔的多列节流静压干气密封开启力和气膜刚度显著提高，最大增幅分别达到15%和25%；通过选取合理的节流孔出气模式可满足不同条件下静压干气密封高气膜承载能力、低泄漏率和低耗气量的性能需求。     

浸酚醛树脂石墨与9Cr18不锈钢配副的摩擦磨损正交试验研究

机械密封是航空航天涡轮泵系统的核心基础元件,其密封性、可靠性和耐磨性不仅取决于密封的结构设计,而且取决于密封端面摩擦副材料的配对。为最大程度地实现密封摩擦副材料的国产化,开展国产典型石墨密封环的摩擦磨损特性研究具有重要意义。通过选取国内三大石墨生产商出品的空天领域常用典型石墨(编号分别为1~#、2~#和3~#)与9Cr18钢配副进行干磨条件下的试验测试,基于正交试验方法,通过改变线速度、端面比压和硬环表面粗糙度,使用UMT-Ⅲ摩擦磨损试验机对比分析了配对摩擦副的摩擦磨损特性。结果表明,该配对副适用于大PV值的工况条件,摩擦线速度是影响配对副综合摩擦学特性的主要因素。当材料选用1~#石墨,转速为750 r/min、端面比压为1.77 MPa、钢盘表面粗糙度Ra=0.2μm时,配对副的综合摩擦学特性最佳。     

动静压气体端面润滑技术研究现状

动静压气体端面润滑因其高承载、高气膜稳定性和非接触等特性而广泛应用于密封、轴承和气浮输运等领域。介绍了动静压气体润滑的基本结构和工作原理,对动静压气体端面润滑技术的研究进展进行总结,重点介绍了静压节流结构的优化设计,动静压气体润滑的理论分析方法,动静压气体密封/轴承动态特性及微尺度效应研究。指出动静压气体润滑可控节流结构的设计及相关理论与实验研究还有待进一步探索,低速条件下动静压气体端面润滑的动态特性和微尺度效应是未来研究的重点,同时这也是提高动静压气体润滑结构工作性能和可靠性的关键。