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。     

锥面-微孔组合端面机械密封性能

在收敛锥面密封和多孔端面机械密封研究的基础上,提出了锥面-微孔组合端面新型机械密封,建立了该组合密封端面液膜压力控制的理论模型并采用有限元法求解,获得了端面液膜压力分布.在给定径向微孔比、周向微孔比和微孔深径比等微孔几何结构参数的条件下,分析了端面锥度、锥面宽度比、扇形微孔区的径向位置等组合密封几何结构参数在低压和高压...     

大菱形孔端面密封力变形及密封性能分析

针对等深大菱形孔端面液体润滑机械密封,采用有限差分法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程,获得液膜压力场。利用商用有限元软件计算密封环三维固体变形,对不同操作工况条件下和不同结构的密封环的力变形、摩擦扭矩、液膜刚度及泄漏率等性能参数进行了计算。结果表明:大菱形孔流体动压型机械密封端面产生周向波度和径向锥度变形;改变工况条件可使密封面形成收敛和发散两种不同的变形,密封性能参数因此产生显著变化;当面积比B=0.65~0.75时,大菱形孔端面密封可获得较好的密封性能;辅助密封圈O形圈位置l对径向锥度变形具有很大影响,l优选值范围为2.4~4.0 mm。     

表面缺陷对硅橡胶密封性能的影响规律研究

采用有限元方法研究金属表面凸起缺陷对硅橡胶密封性能的影响规律。基于ABAQUS软件,建立密封接触过程有限元模型。重点分析表面凸起的高度、半径和位置对密封性能的影响。结果表明:表面凸起缺陷对密封性能影响显著;高度和位置对接触压力和接触面积影响较大,凸起的高度越大、距离接触压力的峰值位置越近时,越容易发生泄漏;而凸起半径对密封性能的影响相对较小。     

大菱形孔端面密封力变形及密封性能分析

针对等深大菱形孔端面液体润滑机械密封,采用有限差分法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程,获得液膜压力场。利用商用有限元软件计算密封环三维固体变形,对不同操作工况条件下和不同结构的密封环的力变形、摩擦扭矩、液膜刚度及泄漏率等性能参数进行了计算。结果表明：大菱形孔流体动压型机械密封端面产生周向波度和径向锥度变形;改变工况条件可使密封面形成收敛和发散两种不同的变形,密封性能参数因此产生显著变化;当面积比B=0.65～0.75时,大菱形孔端面密封可获得较好的密封性能;辅助密封圈O形圈位置l对径向锥度变形具有很大影响,l优选值范围为2.4～4.0 mm。     

不同形状方向性型孔液体润滑端面密封性能对比

表面微孔的方向性可以改变密封间隙中流体的流向,在孔区末端汇聚产生明显的流体动压效应,使摩擦副端面打开,形成全膜润滑。以不同开孔形状（圆形、菱形、椭圆形、长方形）型孔端面密封为研究对象,考虑润滑液膜中的空化现象,基于质量守恒JFO空化算法建立数值模拟模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得端面膜压分布。对比分析了在不同操作参数和几何结构参数下不同开孔端面密封性能。结果表明：相比于圆孔,在低速或高压下,方向性型孔都具有较好的动压效应,且长方形孔的动压开启力最好,菱形孔泄漏率较小。当膜厚h₀=1.5～2.5 mm,孔深h_p=2～3 mm,长短轴比γ=3～4,反向开孔比β=0.5,倾斜角α₁=30°～50°、α₂=120°～140°时,不同形状方向性型孔可获得最佳的动压密封性能。     

端面微尺度效应和热黏效应对干气密封性能的影响

考虑干气密封环端面微尺度效应及气膜的热黏效应,基于气体多变过程理论和气体润滑理论,对可压缩流体条件下的扩展平均雷诺方程进行修正,并应用有限元法进行求解;通过改变密封的操作参数,分析研究了端面微尺度效应和热黏效应对干气密封性能的影响规律。结果表明,干气密封在正常工作状态下,压力的升高使气体滑移流和表面粗糙度之间的耦合效应减弱,对泄漏率有固定的影响。若量纲1膜厚H_s<3.5,应考虑表面粗糙度对密封性能的影响;当逆Knudsen数B≥21或Knudsen数Kn≤0.0476时,可忽略气体滑移流效应的影响;热黏效应和表面粗糙度能提高密封动压效应,降低泄漏率,而气体滑移流效应却使泄漏率增大,端面承载能力降低;在低速高压下,表面粗糙度比滑移流效应对密封性能的影响大;当外压p_o≥2.02 MPa时,热黏效应在对密封性能影响中占主导地位。     

钠冷快堆核主泵用双端面自泵送机械密封性能分析

核主泵的密封性能是钠冷快堆安全评价的重要指标。以某型试验钠冷快堆核主泵为研究对象,提出了一种适用于钠冷快堆核主泵的双端面自泵送机械密封;运用正交试验法设计试验方案,并基于Fluent进行数值仿真模拟,探讨了该机械密封结构参数和工况参数对端面开启力和泄漏率的影响,分析了泵腔氩气零泄漏要求下的密封阻塞流体的压力调节范围。结果表明：在试验参数的范围内,槽面宽比和螺旋角对开启力均有影响,且槽面宽比影响更为显著,开启力随着槽面宽比和螺旋角的增大有上升的趋势;槽面宽比对泄漏率影响显著,泄漏率随槽面宽比的增大迅速增大。得到了最大转速和停机工况下阻塞流体压力与泄漏量、开启力的关系式;当泵腔工作压力为0.05 MPa时,只要阻塞流体压力不超出0.0528~1.6378 MPa区间均能保证密封安全有效。     

闸阀用聚氨酯密封圈密封性能模拟研究

密封圈作为闸阀中防止泄漏和提高工作效率的重要元件,在闸阀技术的发展中,研究不同材料密封圈的密封性能具有重要意义。本文通过ANSYS Workbench有限元软件模拟密封圈的工作过程,针对不同材料组合的密封圈和不同结构的密封圈的密封性能进行分析。结果表明,当组合为60A和85A聚氨酯材料时,能够保证较小的摩擦应力以及较高的密封性能;而将倒角优化成圆角,不仅可以降低接触应力的产生,还能稳定所产生的应力。     

自泵送流体动压型机械密封性能分析

基于离心泵工作原理提出了一种自泵送流体动压型机械密封,并运用Fluent软件对自泵送型槽进行了三维流场动力学仿真分析,探讨了几何参数和工况参数对自泵送流体动压型机械密封性能即端面开启力和泄漏率的影响。研究结果表明:转速增大,开启力和泄漏率均减小;介质压力、槽台宽比、引流孔孔径及螺旋角增大,开启力和泄漏率均增大;随着槽数、槽长坝长比的增大,开启力均有所降低,泄漏率略有增大;槽深对开启力和泄漏率的影响趋势相似,存在一个使开启力较大而泄漏率较小的槽深;通过型槽参数匹配,自泵送流体动压型机械密封可以获得足够的开启力和较低的泄漏率。     

端面锥形参数对锥-孔组合型机械密封性能的影响

给出新型锥-孔组合型端面密封,考虑液膜压场的变化规律与环受力变形的相互作用关系,构建机械密封3D流、固耦合数学模型,并给出相关的数值计算方法,获得了膜压分布规律及端面变形情况,分析锥面结构参数在各工况下对密封性能的影响规律。结果表明：由菱形孔所引起的动压效应可使端面产生周向和径向波状变形,而静压效应随锥度Ф和锥宽比γ的变化,在端面区域范围内所起作用也发生相应变化;对压强较低和低、中转速设备,应选取Ф=5~6或Ф=2~4的收敛锥面密封,且γ=0.8~1.0。对高压和高速设备,应选用Ф=2~3的收敛锥面密封,且γ=1.0或γ=0.2;通过改变锥面结构可有效改变机械密封的特性参数,实现密封运行中的自动调节,特别适合变工况条件。另外,由于锥面结构的变化所引起平衡系数B和膜厚h的变化,低速时可弥补动压效应较小的缺陷,获得较大开启力,也可在大h下工作,故可降低密封端面对平整度和光洁度的要求。     

机械密封覆层密封环端面性能分析

机械密封覆层密封环能够综合利用耐磨覆层与韧性基体材料的优良特性,但其应用主要依靠经验,缺乏针对其性能的研究。利用ANSYS软件建立釜用机械密封动环、静环和静环座组成的热-结构耦合模型,综合考虑覆层端面变形、液膜反压和密封环温度之间的相互作用,并试验验证了分析模型的正确性。分析覆层结构和材料组合对密封端面最大端面比压与速度的乘积（P_bV）_max、最高端面温度T_max,覆层表面最大拉应力σ_max、主界面最大切应力τ_max、侧界面最大切应力σ_cmax和最大法向拉应力τ_cmax的影响,并确定最佳的覆层结构和材料组合。分析结果表明：覆层厚度、覆层与基体的热膨胀系数比和弹性模量比的变化主要影响覆层表面最大拉应力;覆层端面设计中,覆层厚度取值宜在0.4～0.6 mm,喷涂角度宜取15°～30°,覆层与基体的热膨胀系数比宜在0.5以上,弹性模量比宜在2.5以下。     

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。     

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。     

转速压力对T型槽干气密封槽型几何结构参数优选值的影响

T型槽干式气体端面密封（T-DGS）已被广泛应用于石化、化工用离心压缩机轴端密封中,但是目前缺少系统的设计理论与方法,因此也难以对T-DGS失效进行实质性分析研究。基于气体润滑理论模型,采用有限单元法求解控制密封端面间气体流动的雷诺方程,以最大气膜刚度为几何结构参数优选目标,分析了不同压力及转速条件下开启力、泄漏率和气膜刚度等密封性能参数随T型槽几何结构参数的变化规律。结果表明：转速对T型槽的型槽几何周向比α1、槽宽比α2和槽深hg优选值产生较大影响,对径向比β1和槽长比β2优选值的影响可以忽略不计;转速越高,密封性能参数达到最大值时所对应的α1和hg优选值越大,而所需要的α2优选值越小。密封压力对T-DGS的α1、β1及hg的优选值都将产生一定的影响,对α2和β2优选值的影响可以忽略不计;压力越高,密封性能参数对上述5个型槽几何结构参数的敏感度越小,且α1和hg的优选值越小,β1的优选值越大。研究结果为T-DGS在不同操作条件下的实际设计与应用提供了理论依据。     

边界压力波动对液膜端面机械密封空化及性能的影响

泵在流量调节、流体激振等工况下会发生大范围的压力波动,易导致机械密封“失稳”,影响泵体安全运行。本文通过建立螺旋槽型三维液膜模型,采用Mixture多相流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,探究边界压力波动对密封液膜端面空化及密封性能演变规律。结果表明,边界压力波动工况下,气相体积分数波动与压力波动之间存在相位差;相比于外径侧压力波动,内径侧压力波动对端面空化的影响较大;外径侧压力波动对密封性能的影响较小且跟随性较好,内径侧压力波动工况则相反;此外,内径侧压力波动工况下,临界压力使得气相体积分数为0且临界压力与波动周期有关,端面空化消失致使密封性能曲线急剧变化。基于边界压力波动对液膜密封的影响研究,泵用机械密封应采取旋转式密封形式（压力波动作用在外径侧）,以减小泵内压力波动对机械密封产生的影响。     

密封环支撑边界条件对机械密封端面变形的影响

机械密封的密封环是通过辅助O形圈支撑在轴上或者密封腔内,不同的结构设计会改变密封环支撑边界。针对三种机械密封结构模型,利用ANSYS有限元分析软件,模拟机械密封摩擦副端面的变形,讨论了橡胶O形密封圈不同受力边界条件下机械密封端面变形的规律。研究发现当动环、静环均采用SiC时,在静态（结构分析）时,该三种不同支撑结构的摩擦副端面均形成发散间隙,端面变形受支撑边界接触应力的影响较大;热结构耦合分析发现其动环、静环端面间隙呈收敛间隙运转时,热边界条件影响更大。当动环采用石墨,静环采用SiC时,发现其端面间隙可能为收敛型也可能为发散型,这与支撑边界有关。故密封环支撑边界条件的不同会影响动环端面变形,同时动、静环材料的弹性模量对端面的变形有较大影响,从而会影响密封性能。该研究对机械密封设计有指导意义。