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。     

"零压差零泄漏"液体润滑螺旋槽机械密封性能的实验研究

通过实验方法,研究了内外双螺旋槽机械密封端面简的液膜压力和端面温升。液膜压力直接反映了密封端面的润滑状况,液膜压力开始随转速的增加而增大,当转速较大时,随转速的再增大而下降。正常运转时,端面温升很小。实验研究表明,螺旋槽机械密封能在保持零泄漏的同时,实现端面的非接触。     

低温液氧T型槽密封端面流场数值模拟

以动环、静环和液膜三者为研究对象,建立了低温液氧介质T型槽密封的三维实体模型。利用流体力学计算软件FLUENT对模型进行数值模拟,得到了密封端面液膜流场的压力场分布、剪切力分布和液膜动静环两侧温度场分布,分析了主轴转速、密封介质粘度和压差对开启力、泄漏量和液膜两侧温升的影响。结果表明:动环端面开槽可减少粘性摩擦热,液膜静环侧温升高于液膜动环侧温升,开启力和泄漏量与转速和压差的变化成正比,主轴转速的提高和密封介质粘度的增大都会提高端面温升,压差对温度变化的影响较小。     

单金属密封总装设计和润滑理论分析

针对钻井领域的单金属密封端面比压难以控制的问题,结合涡轮钻具支承节结构进行了动密封的总装式设计;初步建立SEMS2单金属密封的计算模型,推导出了SEMS2单金属密封环的轴向载荷公式;考虑润滑油的的挤压效应项,提出SEMS2单金属密封面的油膜压力方程和泄漏率公式;通过有限元软件对SEMS2单金属密封的装配过程进行了应力分析,在此基础上对不同环境压力下密封面的应力特征进行了仿真分析,结果显示低压工况下密封面呈收敛状态,有利于润滑油膜的形成;高压工况下,动环接触面上从内到外的应力逐渐降低,不利于形成润滑油膜。     

含气介质用机械密封端面两相流动特性*

气液混输条件下,密封腔内的含气率较高将会使得密封液膜中有气体进入,从而导致密封环出现“失稳”现象。为探讨含气介质对机械密封性能的影响,通过建立端面螺旋槽型液膜模型,基于Mixture多相流模型,对端面液膜中气液两相分布及机械密封密封性能进行研究。结果表明：液膜内气相体积分数随气泡直径的减小而增大;不同入口含气率下密封端面两相分布规律相近,含气率较高的位置出现在槽根半径处;随着含气率、转速、压差的升高,〖JP2〗槽根处的压力随之升高,从而影响密封性能;在相同含气率、转速及压差下,随膜厚的增加,泄漏量增大,开启力减小,且较小的膜厚对工况参数的改变更为敏感,槽深与膜厚的相关性较强,优化机械密封结构时需综合考虑两者的影响。     

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。     

钻井工况下单金属密封接触分析及实验研究

结合钻井领域高温高压工况,对单金属密封的装配过程和双侧受压情况进行有限元分析,求得动密封面接触压力梯度分布,并结合MATLAB和雷诺方程提出了一种计算动密封泄漏率的新方法;然后根据钻井工况搭建了旋转动密封实验台,对动密封面的接触压力分布情况和泄漏率进行测试。实验和仿真结果表明,在低压工况下动密封面呈收敛状态,有利于润滑油膜的形成,而高压工况下则发散;随着润滑油和钻井液压差的增大,动密封面内侧的接触压力逐渐减小,而外侧逐渐增大;泄漏率随着动密封转速的升高而增大,随着动密封轴向位移的增加而降低。     

变截面密封圈温度场及密封性能分析

为研究不同工况下变截面密封圈密封特性及润滑油膜温度场与黏温特性的关系，根据变截面密封圈密封机制，建立润滑油膜三维数值计算模型，考虑黏温特性和流体内摩擦效应，采用FLUENT和MATLAB软件，研究变截面密封圈润滑油膜在实际工况下的密封特性以及温度特性。结果表明：考虑黏温特性和在定黏度2种情况下所得结果差距明显，表明黏温特性对密封特性的影响不可忽略；油膜最高温度区域均处于外界环境侧，并随工况的改变而移动；油膜最高温度值随转速增加而升高，随密封压力增加而降低，但转速的影响大于其他工况参数；随润滑油温度升高，考虑黏温特性时油膜最高温度值随之增加，而定黏度时呈先减后增的趋势；泄漏量均随转速、密封压力和润滑油温度的增加而增大，但密封压力的影响最大。     

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。     

电机液膜密封的结构设计及性能分析

为解决电机密封在高转速、双向旋转工况下润滑介质向电机绕组内侧泄漏的问题,设计一套液膜密封装置。采用有限差分法离散柱坐标系下雷诺方程,利用SOR求解端面液膜压力分布,比较枞树槽和T型槽的液膜密封装置的泵送性能、承载能力及泄漏量分别随转速、膜厚的变化规律。结果表明:同条件下枞树槽压力峰值大于T型槽;枞树槽在较低的转速或较大的膜厚下即可实现泄漏介质的完全反输;同膜厚下枞树槽开启力大于T型槽且枞树槽开启力随转速、膜厚变化明显;综合分析,枞树槽较适用于高转速、双向旋转的电机液膜密封。     

牙轮钻头用单金属密封瞬态启动动力学模型与密封性能

牙轮钻头的频繁启动以及振动工况直接影响单金属密封的可靠性和工作寿命.基于热-流-固-动耦合场,建立了复杂工况下单金属密封瞬态启动动力学模型,采用有限差分法和Newmark法联合求解润滑方程和动力学方程,考察钻头转速和轴向激励对单金属密封动态密封性能的影响,结果表明:随着钻头不断启动至恒转速阶段,高压(p0=30 MPa...     

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。     

工况参数对机械密封液膜汽化特性及性能的影响

为了研究动压型机械密封液膜汽化特性和密封性能,建立了涉及水的饱和温度与压力的关系、黏温效应以及牛顿流体内摩擦效应的密封间隙液膜汽化计算模型,以螺旋槽机械密封为例分析了工况变化对液膜汽化特性及密封性能的影响规律。研究结果表明：介质温度升高时,存在平均气相体积分数突增的临界温度值,且随转速的增大临界温度值增大;介质压力和转速的增大对汽化有抑制作用,转速增大易使较高的汽化程度迅速降低且在某转速值处出现突变点,介质温度升高使得突变转速值增大;密封性能受工况变化的影响明显,特别是在汽化临界温度值、突变转速值处性能的变化速率迅速增大;液膜汽化首先发生在螺旋槽背风侧堰区,且随介质温度升高快速覆盖槽堰区并向坝区推进;随着转速的增大,润滑膜气相的周向分布更加均匀且高汽化区域会向外径侧移动。     

A Numerical Model of a Rock Bit Bearing Seal

The mechanical seal with metal faces, used to seal the bearings in rock drill bits, plays a critical role in ensuring a long service life of the drill bit. A numerical model of such a seal has been developed for use as a design tool. The axisymmetric model encompasses a mixed lubrication elastohydrodynamic analysis, and predicts such quantities as leakage rate, film thickness distribution, fluid pressure and contact pressure distributions, interface temperature and face deformation. Model results show that the behavior of this seal, unlike that of conventional industrial seals, depends strongly on the ambient pressure, not just on the pressure drop across the seal.     

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。     

内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明:圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。     

高温高压下旋转导向系统动密封性能

旋转导向钻井系统是在钻井过程中,实时进行钻头导向的一种钻井系统,导向钻井系统偏置机构中的动密封对整体系统的可靠性有极大的影响。结合旋转导向钻井系统的实际工况,考虑井下高温高压、动密封双侧承压和橡胶应力松弛对密封的影响,利用有限元软件中的流体渗透加载方式对滑环组合式密封进行密封性能分析,并分析环境压力、井下温度和O形圈压缩率对组合密封主密封面接触压力和Mises应力的影响。结果表明:随着介质压力的增大,虽然密封两侧的压差不变,密封系统的最大接触压力仍在增大,同时密封内侧的压力比外侧要大得多;应力松弛作用对初期阶段组合密封的性能影响比较大;温度对动密封接触压力的影响小于环境压力;较高的压缩率可以增加组合密封主密封面的接触长度,一定程度上可以降低最大接触压力,从而减缓密封面磨损。     

温度对组合型织构油封密封性能的影响

耦合流体力学、变形分析、接触力学、能量守恒方程和黏温黏压方程,建立具有表面组合型织构油封的密封区域混合润滑数值模型,研究温度对表面组合型织构油封密封性能的影响;通过有限差分法对数值方程离散求解,得到不同表面织构油封唇口的温度分布及不同转速下油封唇口的最高温度,对比分析温升对油封泵吸率、油膜厚度、摩擦扭矩等密封性能的影响。结果表明：油封最高温度位于唇尖处,无织构油封最高温度略高于织构油封,随着转速的增加,油封最高温度也都随之增加;织构的存在会引起油封泵吸率的增加和平均油膜厚度变大;随着温度的升高,油封泵吸率、摩擦扭矩、油膜厚度都会逐渐减小,油封密封性能明显下降,温度升高至一定程度,油封泵吸率会变为负值。     

高压旋转组合密封试验装置设计与研究

针对旋转组合密封性能检测问题,设计完成可对直径100 mm的轴用旋转组合密封圈进行密封性能试验的装置。采用PLC控制驱动,实现系统数据采集和压力转速自动调节控制,可对密封件在不同转速、压力下的扭矩、泄漏量等指标进行测试。利用该试验装置对某型号旋转组合密封件进行试验研究,试验结果表明：在定转速情况下,组合密封启动摩擦力矩随压力增加而增加;相同压力下,组合密封圈在低转速情况下,摩擦力矩随转速增加而增加,当转速增加到一定数值后,摩擦力矩增幅出现下降趋势。同时测试结果也表明该装置功能完善,操作简便,自身回转阻力小,在高压下工作稳定可靠。