计入JFO边界条件的波度机械密封动态特性分析

为研究微扰下的波度端面机械密封的动态特性,基于流体润滑理论和小扰动法,考虑液膜空化建立计入JFO边界条件的微扰膜压控制方程,数值求解密封端面液膜三自由度微扰下的动态刚度和阻尼系数,分析几何参数和操作参数对波度端面机械密封动态特性系数的影响规律。结果表明：随着介质压力的增大,液膜动态刚度和阻尼系数均增大,有利于提升密封动态稳定性;高转速下虽液膜动态刚度系数增大,但液膜阻尼特性变差,密封工况运行易产生失稳;随着波锥比的增大,液膜动态刚度和阻尼系数均增大;波数约为8、坝宽比约为025时,液膜动态刚度和阻尼系数能得到相对优化结果。     

螺旋槽气体轴承动态特性及失稳分析

针对高速动静压气体轴承气膜的复杂非线性动力学行为,以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立润滑分析数学模型;采用有限差分法与导数积分法进行求解,得到动态扰动压力分布及动态特性系数,并研究切向供气条件下螺旋槽参数、径向偏心率、供气压力、转速对气膜刚度阻尼系数的影响规律;建立线性稳定性计算模型,预测气膜涡动失稳转速,分析运行参数对失稳转速的影响。结果表明:气膜阻尼是一种抑制涡动的因素,气膜的稳定性取决于气膜刚度与阻尼的协同作用;气膜刚度阻尼随着槽宽比、槽深比、螺旋角的增大,整体上呈先增大后减小的趋势;刚度随转速的升高而增大,阻尼则随转速的升高而减小;径向偏心率和供气压力越大,气膜刚度和阻尼越大;在一定范围内,提高供气压力、增大径向偏心率能够提高系统失稳转速;合理地选取轴承结构参数和运行参数,能够优化轴承动态特性,保证气体轴承较高的运行稳定性。     

球面螺旋槽动静压气体轴承动态特性分析

以半球螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立球面动静压混合气体轴承的非线性动态润滑计算分析数学模型,采用偏导数法推导出扰动压力控制方程;在广义坐标系下,采用有限差分法对扰动压力控制方程离散化,推导出扰动压力的差分表达式;推导出半球螺旋槽动静压气体轴承刚度和阻尼系数与扰动压力之间的关系表达式;采用VC++6.0编制程序,数值计算出三维微气膜的瞬态扰动压力分布、非线性气膜力及动态刚度系数和动态阻尼系数。研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律,结果表明:随着转速、偏心率及供气压力的增大,气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化。     

气体多孔端面机械密封孔径尺寸对密封动态性能影响研究

建立了气体润滑微孔端面机械密封(LST-MS)的气膜压力控制方程及雷诺方程,利用有限差分法和小扰动法计算了气膜稳态和动态压力分布,分析研究了频率数、面积比和布孔方式等参数对密封动态刚度和阻尼等表征气膜特性参数的影响.结果表明,高频扰动易使密封产生气膜振荡而导致密封失稳;孔径尺寸对密封气膜影响明显,随微孔列数的增多,刚度和阻尼均将逐渐趋于某一稳定值,频率数越大,则稳定值对应的微孔列数越多.     

柱面气膜密封动力特性系数的数值计算

针对柱面气膜密封系统动态特性分析问题,应用微扰线性化分布参数法建立密封气膜的微扰动态压力微分方程组,给出柱面气膜密封双自由度微扰下密封气膜的动态刚度和动态阻尼系数的计算方法;建立密封气膜的8个动态刚度、阻尼系数的有限元分析模型,给出有限元数值仿真计算流程和方法;通过算例验证数值计算模型和求解方法的正确性并重点研究可压缩数和平均膜厚对气膜动特性系数的影响.以柱面顺流螺旋槽带坝界面结构为例计算密封气膜各项动特性系数并给出不同条件下的变化规律曲线,气膜的正向刚度系数和正向阻尼系数呈现较为复杂变化状况,交叉刚度系数和交叉阻尼系数呈现轴对称特性.密封气膜动特性系数数值计算为稳定性分析提供了基础,为密封系统设计提供了指导.     

三自由度微扰下箔片端面气膜密封动态特性分析

提出一种新型箔片端面气膜密封方式,基于气体润滑与弹性力学理论,应用小扰动法建立箔片端面气膜密封的微扰膜压控制方程。对比分析了不同箔片变形力学模型下的动态特性系数变化规律,探究了不同工况及结构参数对气膜动态特性的影响规律,以最大动态主刚度和阻尼作为综合优化目标,确定了结构参数的优选范围。结果表明：随着激振频率、转轴转速的提高,气膜动态主刚度与动态主阻尼的动态互补变化,抑制了润滑膜厚的激变,同时作为气膜不稳定诱因的动态交叉系数的变化放缓,降低了因工况突变引起气膜振荡、失稳的风险;此外,介质压力的增大能够显著提升密封维稳、抗振性能。当楔形高度取5～8 μm,节距比取0.2～0.4,箔坝比取0.5～1.1,箔片数取4～6,箔片结构阻尼取5×107～8×107 Pa·s/m时,箔片端面气膜密封综合动态抗扰性能较优。     

动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程,给出动压气体轴承动态刚度和动态阻尼系数普遍适应的计算方法.进行有限元数值仿真,计算动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数,并重点研究轴颈扰动频率和不同轴颈扰动频率下的轴承静态载荷及轴承数对这些系数的影响.从理论上解释动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数与轴颈扰动频率的密切相关性.     

锥度及静态静环角偏差对低速干气密封气膜动态特性的影响

利用小扰动法结合有限元法求解气膜控制方程——动态雷诺方程,得到了端面稳态及动态压力分布.计算了表征气膜动态特性的主要参数——刚度系数和阻尼系数,分析了端面锥度和静态静环角偏差对气膜动态特性的影响规律.结果表明:负锥度对主气膜刚度系数和主阻尼系数有显著影响,正锥度影响较小;静态静环角偏差对主气膜刚度系数和主阻尼系数以及耦合气膜刚度系数和阻尼系数都具有明显的影响;通过调节密封端面锥度和角偏差可以改变气膜动力学行为,进而可以改善密封环的角向运动.     

半球面气体轴承动态特性分析北大核心

以半球面螺旋槽气体轴承为研究对象,建立供气切向角可变的轴承非线性动态润滑分析数学模型,采用偏导数法推导扰动压力控制方程,并在广义坐标系下进行保角变换和斜坐标变换,结合导数积分法与有限差分法,建立扰动压力控制方程的差分表达式,推导气体轴承动态刚度和阻尼系数与扰动压力之间的表达式,采用VC++6.0进行数值计算,在不同偏心率下研究供气压力及供气切向角对气膜动态特性系数的影响。结果表明:偏心率、供气压力增大,部分刚度、阻尼增加;供气切向角度增大,部分刚度、阻尼减小。     

环形微槽浮动密封的动态特性分析

基于高参数旋转装备对密封低泄漏和长稳定的苛刻要求,提出一种环形微槽浮动密封;考虑偏心气膜收敛问题,定义了Rayleigh台阶对气膜周期的突变性,并应用小扰动法建立瞬态Reynold方程,获得压力和膜厚的扰动微量关系式;构建动态刚度与动态阻尼矩阵,并研究槽型结构与工况对动态特性系数的影响。研究结果表明：交叉刚度kxy和kyx的曲线与交叉阻尼cxy和cyx的曲线分别呈现对称性,主刚度kxx和kyy、主阻尼cxx和cyy的变化规律保持一致;在-20°与30°螺旋角下主刚度达到了最大值;在槽数为10时主刚度、主阻尼达到了最大值,同时交叉刚度之差与交叉阻尼之和趋于0,说明槽数为10时利于密封稳定;在转速超过38 000 r/min后密封系统有可能发生不稳定;压差对密封压力流和剪切流有明显的影响,使得密封系统处于涡动发散阶段;在大偏心下,楔形效应的增强抵抗了气膜压力与厚度分布的不均匀性,有利于涡动收敛,然而气膜厚度的增大增加了密封不稳定性的概率,从而推断出环形微槽浮动密封更适应于小膜厚、低压、高速、大偏心的服役工况。     

Convection of Heat in Short-Bearings and Face Seals

For a short bearing or face seal, the temperature is determined by a steady Couette flow component and a zero-average perturbation, or waviness. In terms of these component flows, convection along the film and conduction into the surfaces is derived, and conditions are determined under which convection significantly influences the circumferential distribution of heat flux into the solid surfaces. For a stationary sinusoidal wave on a bearing surface, the phase relationship between this displacement perturbation and the wall heat input is found. The result is primarily of interest in systems where frictional heating may excite the thermoelastic growth of surface waviness, and where weak perturbations on heating may excite thermoelastic instability.     

端面形貌和流体剪切稀化对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。     

波度及静环静态角偏差对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

建立了考虑螺旋槽气体密封端面周向波度及静环静态角偏差的理论模型。利用有限元法数值求解稳态雷诺方程,得到了端面周向气膜压力分布,进一步分析了不同压缩数下周向波度及静环静态角偏差对密封稳态特性参数的影响规律。结果表明:中、高压缩数下,波度及静环静态角偏差对气膜周向压力分布及径向压力梯度产生显著影响;波幅及波数对密封稳态特性影响不尽相同;过大的静环静态角偏差会导致端面气膜压力出现不均匀的峰值及谷值,使密封产生剧烈偏摆,造成端面瞬间接触,加剧端面磨损,最终导致密封泄漏失效。     

气膜端面密封角向摆动自振稳定性

提出造成气膜端面密封角向摆动自振的内在机理，既有半频摆动自振又有角向气锤自振。在其稳定性分析中给出了不同端面结构、浮环支撑弹簧和二次密封阻尼等的影响。分析按照小扰动线性化的分布参数法，联立气膜微扰雷诺方程和浮环微扰运动方程，对密封系统的角向摆动自振稳定性界限进行了数值迭代。     

A rotordynamic analysis of an annular honeycomb seal using a two-control volume model

Basic equations are derived for an annular honeycomb gas seal based on a two-control volume model. The two-control volume model includes additionally a transient radial velocity component at a porous honeycomb stator surface while a conventional one-control volume model takes only the axial and the circumferential velocity components in a seal. By using a perturbation analysis and a numerical integration method, the basic equations are solved to yield the force and the corresponding dynamic coefficients developed by the seal. The two-control volume model analysis is compared to both the one-control volume model and experimental results. The comparisons show that the two-control volume analysis generally improves the predictions of rotordynamic coefficients, especially, for direct damping.     

低速运转气膜机械密封端面波度和锥度对其密封性能的影响

气体润滑机械密封端面周向波度和径向锥度是影响密封低速运转性能的重要参数。以螺旋槽气体润滑机械密封为研究对象,采用有限单元法分别对周向波度、径向锥度对其低速运转性能的影响规律进行了分析研究。理论分析表明:在低速运转条件下,波度幅值及其起始角对螺旋槽气膜密封的各项性能都具有很大影响;密封端面正锥度的增加能使密封气膜刚度显著提高,但同时也使密封的泄漏量有所增加。     

表面波纹度对滑动轴承转子系统稳定性的影响

为揭示表面波纹度对滑动轴承转子系统稳定性的影响,建立了考虑表面波纹度的滑动轴承转子系统动力学模型,提出其非线性动力学分析、计算方法,表征出周向表面波纹、轴向表面波纹以及组合表面波纹等不同形式的表面波纹度对系统稳定性等系统特性的影响。研究结果表明,表面波纹度的存在会使系统油膜产生波动,增加系统的能量损失,特别是当Sommerfeld数S<0.2时,表面波纹度对系统能量损失的影响最明显。但它的存在并非都有害,表面波纹度误差的存在会在一定程度上有利于滑动轴承转子系统稳定性及承载特性,且随着波纹幅值的增高,其促进的作用越明显。此外,不同形式表面波纹度对系统特性的影响程度也不同,轴向表面波纹度对系统承载能力的促进作用比周向表面波纹度及组合表面波纹更大,而周向表面波纹度则对系统稳定性及能量损失性的影响作用更明显。当Sommerfeld数S>0.5时,轴向表面波纹度对稳定性的影响较小。     

表面波度对液体椭圆孔端面密封上游泵送特性的影响

表面波度与端面几何型槽的耦合影响使得密封性能的变化规律更为复杂。基于粗糙和波度表面假设,建立空化效应下端面椭圆孔液体上游泵送密封的理论分析模型,对上游泵送端面密封的压力分布和泄漏率进行数值求解计算,分析周向表面波度幅值、数量等几何参数和转速、密封压力等操作参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果显示：表面波度使得密封端面产生更高的流体动压效果,并减弱上游泵送效果,容易导致密封介质的泄漏;随着波高和周向波数的增加,开启力略有增加;泄漏率随着波高的增加呈现正向增强趋势,但波数对泄漏率没有明显影响;在空化效应和表面波度的影响下,速度剪切产生的密封端面开启力可增加50%以上,并形成流体的完全上游泵送;密封压力和膜厚的增加,使得流体的上游泵送性能和密封性下降。     

The Coupling of Waviness and Heating in a Seal

Thermoviscous lubricant flow in seals and bearings is treated as a Couette flow, and a fully coupled perturbation flow, which results from waviness of the boundary, and which gives rise to uneven heat input into the solid boundaries. Differences in modes of heat transfer within the seal rings and out to the environment are separable, and determine the thermoviscous behavior of the film in a simple way. The temperature perturbation, or wave, in the film is an order of magnitude smaller than the perturbation of heat generation, justifying the assumption of isothermal and isoviscous flow.

Calculations show that materials such as C and SiC cannot be idealized as insulators when run against metals.