热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响

针对核主泵用流体静压型机械密封在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,通过建立收敛台阶端面流体静压型机械密封的稳态传热模型,并考虑流体粘度随压力、温度的变化,建立端面流体膜压力和密封环温度的控制方程,采用有限差分法求解各控制方程,采用有限元法求解密封环热、弹变形,对密封进行流、固、热耦合分析,研究热弹变形对密封性能的影响;同时改变操作参数,研究端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等随之产生的变化规律.结果表明,端面的弹性变形大于热变形;热弹变形的综合影响使端面由外径向内径形成收敛间隙,导致开启力、泄漏率和液膜刚度增加;动环角速度越高,流体温升越大,端面热变形越明显,泄漏率越大;流体注入温度越低,温粘效应越显著;流体注入压力越高,热弹变形量越大,密封端面平衡间隙亦越大.     

端面周向波度密封中流场的数值模拟

建立端面周向波度密封密封端面间液膜流场的数值模型,采用计算流体力学软件FLUENT对密封间隙中的液膜进行三维数值模拟,得到液膜流场的压力分布,求得密封的泄漏量、开启力和刚度等密封特性参数,分析密封几何参数(如波幅、波数、密封环坝区的宽度与密封环宽度之比)对密封性能的影响.结果表明:随着液膜厚度的增加,开启力减小,泄漏量增大;密封几何参数对密封特性参数的影响存在一定的规律,如波幅越大、波数越多,密封环端面的流体动压效应越明显,而随密封环坝区的宽度与密封环宽度之比的增加,开启力、泄漏量和刚度都减小.     

深海机械密封端面摩擦及变形特性研究

以深海推进器等水下设备用机械密封为研究对象,建立机械密封环模型,考虑深海变工况下接触端面摩擦因数的差异性,采用分离法分别对机械密封动、静环端面进行热-力耦合变形分析,并对分别考虑密封环热变形、力变形、热-力耦合变形的分析结果进行比较。结果表明:接触端面摩擦因数大小与介质压力、转速、液膜厚度等因素有关,端面摩擦因数随介质压力增大而减小,随转速增大而增大,随液膜厚度增大而减小;单一力变形、热变形分析与热-力耦合变形分析结果差别较大,热-力耦合分析结果要比单一变形分析更接近实际、分析更准确;瞬态工况下,端面温度及端面接触应力峰值均出现由外向内的变化趋势,端面接触状态受端面温度分布影响明显。     

螺旋槽机械密封的可控性

螺旋槽机械密封动环和静环端面间的液膜厚度为微米级,易受外界干扰而破溃、失效.基于液膜流动、密封环传热和热变形的耦合分析,确定与闭合力对应的液膜几何尺寸,得到密封环温度与泄漏率.将静环内侧温度和泄漏率作为反馈参数、闭合力作为调节参数,建立螺旋槽机械密封的控制方法.依据该方法,结合反馈、调节机械系统,可实现螺旋槽机械密封的可控性运行,从而可以提高螺旋槽机械密封的变工况适应能力.     

波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析

基于流体润滑理论,考虑润滑液膜空化现象和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立波度端面机械密封三维流固热耦合模型,采用SUPG有限单元法求解广义雷诺方程、能量方程和热传导方程,计算端面液膜压力、开启力、泄漏率、摩擦因数等参数,对比分析密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)密封特性。结果表明:随着转速、密封压力、波幅、波数的增加,开启力和泄漏率增加,摩擦因数减小;随着坝宽比、初始膜厚的增加,开启力和泄漏率减少,摩擦因数增加。热效应对密封性能影响显著,随着端面摩擦热升高,润滑液膜压力降低。     

超高速涡轮泵机械密封热弹流润滑特性研究

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明：超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。     

基于热流体动力效应的机械密封优化设计

机械密封端面间的热流体动力效应受介质物性、密封环尺寸和材料以及工况条件等诸多因素的影响.在液膜摩擦热与端面热变形耦合分析的基础上,研究热流体动力效应的形成机理.在考虑热流体动力效应的前提下,以提高液膜承载力、减小泄漏率为目标,提出一种新的机械密封设计方法.依据该方法,可获得机械密封环传热性能最优时的几何尺寸,并可根据承载力和泄漏率的要求确定改形位置的半径R和改形扩散角.所设计的机械密封具有较高的承载能力和良好的密封性能.     

激光加工多孔端面机械密封变形的数值分析

针对离心泵用激光加工多孔端面机械密封,通过采用有限元法求解雷诺方程获得密封端面流体膜压分布,计算了不同约束、不同结构动、静密封环的力变形以及端面泄漏量、液膜刚度和刚漏比等密封性能参数,分析了变形对密封性能的影响。结果表明:端面变形对密封性能影响很大,将导致泄漏量增大,刚漏比减小;密封环的约束对变形起着重要作用,选择合适的约束可以减小密封面转角,提高液膜刚度,增强密封工作稳定性。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

船舶艉轴机械密封温度场与热变形分析

船舶艉轴机械密封在运转时,密封环端面温度的分布及热变形对密封的泄漏有重要的影响。为了提高机械密封的密封性,采用有限元分析方法,运用整体法和分离法对机械密封的动、静环的温度场、热变形进行分析,研究在不同主轴转速下端面温度的变化情况。分析表明:机械密封端面的最高温度出现在接触区域的中间,并向内、外两侧递减;端面摩擦热与主轴的转速有密切的关系,转速越大,产生热量越多,温度越高;密封环的导热系数也对端面温度也有影响,导热系数越高,端面最高温度会越低;端面热变形量内径处大于外径处。     

CHARACTERISTCS OF FLUID FILM IN OPTIMIZED SPIRAL GROOVE MECHANICAL SEAL

In order to investigate the sealing performance variation resulted from the thermal deformation of the end faces, the equations to calculate the fluid film pressure distribution, the bearing force and the leakage rate are derived, for the fluid film both in parallel gap and in wedgy gap. The geometrical parameters of the sealing members are optimized by means of heat transfer analysis and complex method. The analysis results indicate that the shallow spiral grooves can generate hydrodynamic pressure while the rotating ring rotates and the bearing force of the fluid film in spiral groove end faces is much larger than that in the flat end faces. The deformation increases the bearing force of the fluid film in flat end faces, but it decreases the hydrodynamic pressure of the fluid film in spiral groove end faces. The gap dimensions which determine the characteristics of the fluid film is obtained by coupling analysis of the frictional heat and the thermal deformation in consideration of the equilibrium condition of the bearing force and the closing force. For different gap dimensions, the relationship between the closing force and the leakage rate is also investigated, based on which the leakage rate can be controlled by adjusting the closing force.     

氦气介质干气密封热-流固耦合建模及性能分析

以氦气介质螺旋槽干气密封为研究对象,考虑密封环温度分布、变形与气体性质、膜厚、生热等因素之间的相互作用关系,将流体域和固体域方程耦合,根据密封结构特征设置力、热边界条件,建立用于干气密封性能分析的热-流固耦合计算模型。基于该模型对氦气干气密封进行热-流固耦合分析,探讨不同转速及槽深对密封性能及其他参数的影响规律。结果表明:在研究的参数范围内密封环存在明显的热变形与力变形,会造成间隙形状的明显变化,从而强烈影响密封的泄漏等性能;工况参数和几何参数变化同时影响流场、传热和变形特征,通过各物理场的耦合作用影响密封的性能。建立的该多物理场耦合模型可用于氦气及其他气体介质干气密封的性能预测和辅助结构设计。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。     

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CO₂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。     

双向连通槽热流固耦合热变形研究

针对传统的螺旋槽型不能满足旋转设备反向运转的密封要求的问题,根据双向槽型机械密封结构特点,提出一种双向连通槽型,通过建立热流固耦合模型,确立传热边界条件,采用ANSYS Workbench对几何模型进行单向耦合计算,讨论密封环在转速、压力作用下热变形规律.结果表明:双向连通槽泄漏量整体比螺旋槽型泄漏量小,且双向连通槽由...     

介质温升对流体静压型机械密封性能影响的研究

以抛物线型流体静压型机械端面密封(PHS-MS)为研究对象,建立了PHS-MS流体润滑理论模型,考虑流体液膜粘温压效应,采用有限差分法对广义Reynolds方程、能量方程、热传导方程组成的耦合数学模型进行了数值计算,获得了介质温升对PHS-MS密封性能影响规律。结果表明,介质温升使PHS-MS的端面开启力先增大后减小,泄漏率增大,而摩擦力减小,并随着时间推移各项密封性能参数趋向稳定;当介质温升较快时,开启力、泄漏率增大及摩擦力减小的趋势快,但密封性能参数达到的稳定值不变。     

Application of segmented rubber rings to increase the sealing efficiency in hydroforming

The tube hydroforming process uses a pressurized fluid as the forming medium, and the sealing efficiency of the internal fluid has an important influence on the hydroformability. This study investigates the applicability of segmented rubber rings to prevent pressure leakage in hydroforming. When the target shape is non-axisymmetric, the possibility of pressure leakage is increased due to the biased stress distribution on the punch. A sealing system is proposed, which is composed of segmented rubber rings, a cylindrical sleeve, and a punch with an end fillet. When the rubber rings are compressed, the reaction force acting on the rings contributes to the prevention of pressure leakage. The circumference of the tube end becomes more tightly sealed by the axial pressure between the punch and sleeve. A deformation analysis was conducted using a compression test, which revealed that the combined use of a steel ring with a rubber ring was more efficient in preventing fluid leakage. The enhanced sealing effect of the proposed system with rubber and steel rings was confirmed by comparing the experimental results with a conventional hydroforming process.