螺旋密封封液能力的计算及其优化

螺旋密封的封液能力的计算是设计螺旋密封的关键。分析了螺旋密封封液能力的计算过程并利用MATLAB优化工具箱对螺旋结构参数进行了优化,以获得最大的封液能力。优化后的最佳螺旋结构参数为:螺旋相对宽度k1=0.5,相对槽深k2=0.3,螺旋角α=21.5;°密封系数最大值为:kmax≈0.577。     

高参数上游泵送机械密封性能计算与分析研究*

以螺旋槽上游泵送机械密封为研究对象,用有限差分法离散Reynolds方程,基于轴向力平衡条件作为迭代收敛准则,采用逐次超松弛迭代(SOR)法在Mathematica软件中编程求解液膜压力分布,以及相关密封特性参数,并分析不同工况参数与结构参数对密封特性的影响。研究结果表明:泵送率随进口压力的增加呈非线性减小,随转速、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性增大;液膜摩擦因数随着转速的增加近似以线性方式增大,随进口压力、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性减小;随着螺旋角的增大泵送率先增大后减小,而液膜摩擦因数表现出与泵送率相反的趋势,说明螺旋角存在最优值;相比于结构参数对密封特性的影响,工况参数的影响较大。     

液膜密封润滑状态转变及性能分析

以螺旋槽液膜密封为研究对象,求解考虑流量因子的平均雷诺方程,研究工况参数和结构参数对密封端面润滑状态转变规律的影响。结果表明:随着转速升高,液膜厚度与液膜承载系数逐渐增加,粗糙峰接触力不断减小至消失,实现摩擦副分离;低黏度介质对临界转速的影响显著;随着压差的增大,临界转速与闭合力均呈线性增大的趋势;临界转速随槽深、螺旋角增大而增大,随槽数、槽坝比增大而减小,结构参数中槽深对其影响最为显著,为提高润滑状态转变能力,建议取槽深3~7μm,螺旋角14°~18°,槽数16~24,槽坝比2/3~5/6。     

熔体泵用螺旋密封的优化模型与优化计算

以密封系数最大为优化目标函数，考虑了相对槽深、相对槽宽和螺旋角等约束条件，建立了螺套式螺旋密封封液能力优化的数学模型。采用MATLAB优化工具箱对螺套式螺旋密封的封液能力进行了优化计算，相比于传统的“直接法-变量轮换法”，此方法具有简单易行、计算量小，不依赖于密封操作参数等优点，具有较好的通用性。通过具体实例计算和应用证明了该方法的可行性。     

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。     

低压螺旋槽上游泵送气体端面密封零泄漏特性

采用有限差分方法,基于对螺旋槽端面气膜压力分布、流速分布和泄漏率变化的数值计算分析,探讨低压上游泵送螺旋槽气体端面密封实现被密封介质零泄漏的作用机制和变化规律。结果表明,螺旋槽上游泵送作用可在高压侧形成周向封闭的高于密封压力的高压流体环带,阻止被密封介质进入密封间隙,实现被密封高压介质的零泄漏,形成密封介质的完全的反向泄漏;泄漏率随转速、槽数和膜厚的增加先减小后增大,随槽深、螺旋角和槽台宽比的增加先增大后减小,随槽根半径增加而减小;当转速、膜厚和槽数达到一定值时,泄漏方向会发生改变;开启力随转速和槽数增加而增大,随着膜厚的增大而减小,随槽深、螺旋角、槽台宽比和槽根半径的增加呈先增大后减小的趋势。     

工艺参数对螺旋密封封液能力的影响分析

应用Pro/Engineer建立了螺旋密封流体域模型并且结合ANSYS有限元软件,对泵送流动、泄露流动进行了模拟分析,找到了不同工艺参数对螺旋密封封液能力影响的规律,对螺旋密封的实际应用提供理论依据。所建立的螺旋密封数值模型能够准确反应泵送流动与泄露流动时流场的分布情况;随着转轴的转速、密封介质的动力粘度以及螺旋长度的增大,封液的能力呈现出线性增长的变化趋势;随着螺旋密封结构齿顶间隙的减小,螺旋密封的有效防泄漏增强,封液能力明显加强。     

考虑离心项的螺旋槽液膜密封空化特性数值分析

针对液膜密封中空化问题,建立基于质量守恒JFO边界条件的螺旋槽液膜密封数学模型,采用流线迎风有限元法求解考虑液膜离心项的Reynolds控制方程,获得端面膜压分布,进而分析了操作参数对空化特性的影响。结果表明:不同操作参数下,空化发生时的液膜破裂位置均位于螺旋槽边界线上;转速的增大、膜厚及介质压力的减小促进空化的生成,反之,抑制空化发生。计算结果为液膜密封在不同操作条件下的设计和应用提供理论指导。     

端面波度、锥度与槽型耦合密封特性数值分析

研究非接触端面密封中密封端面的波度、锥度与槽型耦合作用下非端面密封的密封特性。在层流、稳态的密封介质基础上,基于极坐标下二维雷诺方程,结合数值求解方法,考虑波度、锥度与槽型耦合对密封特性的影响,得到泄漏率、开启力、液膜刚度3类密封特性参数变化趋势。研究表明,当锥度一定时,随着波度增大,泄漏率增加,液膜刚度微幅增大,而开启力则受端面槽型耦合影响,其中直方槽端面和螺旋槽端面开启力呈现逐步变小的趋势,内螺旋槽端面开启力呈现先增后减变化,最后3种槽型端面的开启力趋于同一值;当波度一定时,随着锥度提升,泄漏率增加,开启力增大,液膜刚度变弱。在非接触端面密封中,合理选取波度、锥度与槽型有利于保证密封的非接触状态,提高端面密封的可靠性和工作寿命。     

螺旋密封技术探讨

从工程应用角度，探讨螺旋密封的封液能力，结构型式，螺旋槽截面形状等问题，提出了实用性较好的螺旋密封封液能力计算式，供螺旋封装置设计或选用时参考。     

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。     

低温介质粘度对端面双螺旋槽动密封槽数优化的影响

以可压缩流体Reynolds方程为基础，采用有限元数值计算方法，对一种新型的双列螺旋槽机械密封在3种超低温介质工作状态下，等闭合力条件的密封槽数进行了优化计算，结果表明，不同粘度的介质下，以取得较高液膜轴向刚度为目标进行的槽数优化结果是不同的：介质粘度低，槽数应偏多；介质粘度高，槽数可偏少。这对不同粘度介质下的参数优化具有指导意义。     

螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性

建立了螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性的计算模型,耦合求解了含流量因子、接触因子及质量守恒空化边界的雷诺方程、弹塑性粗糙峰接触方程及动力学方程,比较了不同运行工况及结构参数的润滑状态转变过程。结果表明：增速阶段流体承载力与液膜厚度不断增大,粗糙峰承载力逐渐减小至消失;相比较于流体动压润滑状态,混合摩擦状态的液膜刚度较大且振荡幅值明显,在到达脱开转速时刻有较大的轴向速度突变。受挤压效应影响,较小的启动加速度可以在低转速下进入流体润滑状态,较高的外压和较低的内压均有利于润滑状态的转变。随槽数的增加,脱开转速呈先增大后减小趋势,螺旋角与槽深的减小或槽坝比的增大均对润滑状态转变能力起促进作用。     

螺旋槽干气密封性能的ANSYS参数化分析

应用ANSYS参数化设计语言APDL对螺旋槽干气密封装置建立了参数化计算模型,并对模型的三维流场进行了数值分析计算,得出了气流的速度分布和压力分布云图。通过在APDL程序中改变计算模型的几何参数,计算得出了螺旋槽的槽长、槽深、槽间距、螺旋角等设计变量对螺旋槽干气密封性能的影响情况,为螺旋槽干气密封的设计提供了依据。     

螺旋槽干气密封气膜特性的近似计算及试验研究

从N-S方程出发,推导螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程。应用PH线性化方法,并采用小参数迭代法进行求解,近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解,继而求出泄漏量以及功耗。结果表明:试验测出数值与计算结果较为吻合,表明所建立的螺旋槽干气密封端面间气体流动过程力学和数学模型是正确的,所编制的近似计算程序是可行的。     

枞树型槽上游泵送机械密封稳态特性数值分析

针对电机轴承密封可靠性差的问题,提出一种适用于电机的枞树型槽上游泵送机械密封。在MATLAB环境下求解液膜稳态雷诺方程,得到枞树型槽上游泵送机械密封端面液膜压力分布,分析端面结构参数如槽深比、螺旋角、槽坝比对密封稳态特性的影响规律,并给出枞树型槽结构参数的设计优选范围。结果表明:该机械密封具有较好的动压效应;随着槽深比的增加,开启力、泵送量和液膜刚度均先增大后迅速减小,摩擦因数则缓慢增大;随着螺旋角的增大,开启力和泵送量逐渐减小,刚度先增大后减小;随着槽坝比的增大,开启力和泵送量增加,摩擦因数增大,刚度先逐渐增大而趋于稳定;槽深比和螺旋角对枞树型槽上游泵送机械密封的稳态特性影响较大,而槽坝比的影响较小;取槽深比1. 0～4. 0、螺旋角15°～25°、槽坝比1. 5～2. 5时,机械密封可获得较大开启力和液膜刚度、较小摩擦因数等较好的综合性能。     

双列螺旋槽液膜密封相变特性分析

考虑由动压槽造成的端面压力变化所带来的影响,探讨双列螺旋槽液膜密封的相变特性。基于均质混合物理论建立液膜密封相变模型,使用有限体积法对控制方程进行离散,分析液膜相变对密封性能及端面压力分布的影响。结果表明:相变发生后黏度明显降低,导致外侧螺旋槽挤压效应与泵送能力减弱,在其与相变的耦合作用下,开启力先减小后增大,泄漏量先增大后减小,相比于全液膜时密封性能有所下降;内侧螺旋槽产生的高压抑制了相变,压力分布规律未发生变化,外侧螺旋槽内相变区域较大,压力变化趋势明显改变。     

高速螺旋密封临界密封能力的结构敏感参数分析

针对螺旋密封临界密封能力受结构参数影响大,且螺旋密封的各结构参数相互耦合导致密封设计难度大的问题,建立了螺旋密封数值模型,计算了密封的速度场、压力场和临界密封能力,分析了螺旋密封不同结构参数对密封能力影响规律并从对密封能力的影响以及设计制造难易的角度筛选结构敏感参数。通过对试验数据的拟合处理,得到了针对密封偏心情况的临界密封能力修正公式;利用Matlab优化工具箱中的fmincon函数对螺旋密封临界密封能力修正公式进行优化求解。研究得到了齿顶间隙、螺纹齿高、相对槽宽对螺旋密封性能的影响规律并判断螺纹齿高、相对槽宽为螺旋密封结构敏感参数;提出了一种密封结构参数优化方法,该方法优化得到螺旋密封在螺旋角α=18.5°,螺纹齿高h=0.45 mm,相对槽宽K₁=0.5,齿顶间隙s=0.05 mm时螺旋密封具有最优的密封能力与模拟和试验结果相符;研究结果为螺旋密封的工程应用提供了设计基础。     

工况参数对螺旋槽机械密封性能的影响

为得到在不同的工况参数下对螺旋槽机械密封的密封性能的影响规律,建立理想状态下的流体计算域模型,运用计算流体力学对螺旋槽机械密封动静环间的流场进行模拟分析,通过工况参数的改变来观察各密封性能参数—端面压力、开启力、泄漏量等的变化规律。结果表明:螺旋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;泄露量的大小随动环转速或介质压力的提高而变大,随介质粘度的增大而减小;开启力的大小与动环端面的压力具有相同的变化规律。     

衍生螺旋槽对超临界二氧化碳干气密封微气膜稳态特性影响*

以衍生螺旋槽为研究对象,建立衍生螺旋槽端面微气膜三维流动模型,通过软件REFPROP获取CO2在不同压力温度下的物性参数,并导入Fluent计算得到了衍生螺旋槽和经典螺旋槽的膜压分布。对比分析衍生螺旋槽和经典螺旋槽S-CO2干气密封开启力、泄漏率和气膜刚度,讨论不同入口压力和转速下湍流效应、实际气体效应以及离心惯性力对密封稳态性能的影响,揭示多种效应交互耦合对S-CO2干气密封气膜动态特性的密封机制。结果表明：衍生螺旋槽的气膜开启力、泄漏率和气膜刚度等性能参数优于经典螺旋槽,这是衍生螺旋槽两级台阶作用的结果;随着转速的增加,在湍流效应和离心惯性力的交互耦合作用下,开启力、泄漏率及气膜刚度先增大后减小,随入口压力的增大,气膜开启力、泄漏率和气膜刚度均呈近似线性增大,且压力越大衍生螺旋槽和经典螺旋槽的差异越来越明显。