阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行CFD流体仿真分析。结果表明：工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。     

空化效应下端面液膜机械密封性能分析

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应,基于Schnerr-Sauer空化模型,采用流场计算软件FLUENT对机械密封端面液膜密封流场进行空化模拟,探究液膜密封在不同转速、入口压力、槽深、液膜厚度以及不同螺旋角对空化效应的影响规律。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在考虑空化效应时的开启力、泄漏率均小于不考虑空化效应工况下的值,而且工况参数和结构参数的影响规律基本相似。综合考虑端面螺旋槽液膜密封的密封性能以及可靠性,建议取槽深为10～14 μm、液膜厚度为3～4 μm和螺旋角为15°～20°时,端面螺旋槽液膜密封的整体密封性能最佳。     

湍流效应对干气密封性能影响的研究进展

在干气密封的理论研究与设计计算过程中,一般都是基于层流流动假设下进行的,但随着密封运行工况渐趋于高参数化、工艺介质多相化,在高参数、极端复杂工况下时流体会处于湍流流动状态,传统的层流流动理论就变得不再适用,因此在干气密封的理论设计与研究中就需要考虑润滑气体的湍流效应。总结现今应用较为广泛的3种湍流润滑模型,即Constantinescu模型、Ng-Pan-Elrod模型和Hirs模型,并介绍各模型的理论基础与适用范围。对湍流润滑方程及其在不同模型下的湍流系数表达式进行说明,综述考虑湍流效应对干气密封稳、动态性能影响的国内外研究进展。     

空化效应对斜线槽机械密封性能的影响

润滑膜的空化效应对流体动压型机械密封的密封性能影响显著。以煤油基磁流体润滑斜线槽上游泵送机械密封为研究对象,考虑空化热效应以及黏温效应,建立润滑液膜特性的数值分析模型,以液膜中的气相体积分数为指标,研究工况和结构参数对密封性能的影响规律,并与仅考虑黏温效应的模型进行对比。结果表明：因空化热模型考虑液膜介质饱和蒸汽压力随温度变化,考虑空化热效应时的开启力、泄漏率和气相体积分数均小于仅考虑黏温效应下的对应值,但2种条件下各参数的变化趋势基本一致;转速和槽径比增大,空化效应增强,而进口压力、膜厚、径向夹角和槽数的增大会削弱空化效应;转速、槽深、径向夹角、槽径比增加,会导致泄漏率增加,而进口压力和槽数的增加能够提升密封性能。     

空化对液膜密封流场特性及密封性能的影响

为进一步探索液膜空化对密封性能的影响,以螺旋槽液膜密封为研究对象,基于JFO空化模型及坐标变换建立其数学模型并采用有限体积法离散求解。探讨Reynolds和JFO两空化边界下的密封速度场和流量场分布规律以及空穴压力对密封性能如承载能力和摩擦扭矩等影响。结果表明:空穴区的形成具有动态性,速度矢量在空穴区内部为0,在液膜始破边界和靠近内径处的液膜重生边界上速度矢量朝向空穴区,而在靠近外径处的液膜重生边界上速度矢量远离空穴区;液膜流量场主要集中于槽区内且JFO空化边界下的流量场分布比Reynolds空化边界下值更为密集;空穴压力的增加可提升液膜承载能力但增幅较小,而对摩擦扭矩的影响可忽略不计。     

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。     

机械密封镶装密封环开空刀槽对密封性能的影响

以航天涡轮泵用机械密封的镶嵌静环组件为研究对象,采用有限元法对比研究了静环座开或不开空刀槽2种情况下,石墨静环在静态条件下的接触压力、端面轴向变形和等效应力的分布特征。结果表明:未开空刀槽镶装静环组件的石墨环密封端面轴向变形分布沿径向呈发散楔形状,且相对变形量差值较大,而开空刀槽后静环组件的接触压力、等效应力和端面轴向变形均得到改善。分析了空刀槽的尺寸大小、形状以及开槽位置对石墨静环受力特征的影响,确定了静态条件下合理的开槽几何特征值。结果表明:空刀槽开在静环座径向侧壁根部较合适,且当空刀槽槽宽占比约为1/2时,静环端面轴向变形达到最小,有利于减小密封泄漏率;相比于其他几种空刀槽结构形状和特征尺寸,石墨静环拥有燕尾形空刀槽且当燕尾角为45°时,其端面轴向变形量沿径向变化最小,静环的装配应力均值最小。     

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。     

低速干气端面机械密封性能研究

对干气端面机械密封进行了研究，初步得出适合低速条件的密封环结构，以最大刚漏比为基准对螺旋槽，圆弧槽和直线槽进行不同条件下结构优化。台架试验结果表明：根据优化结果制的圆弧槽，直线槽端面机械密封是能实现动，静压相结合的密封形式，而且泄漏量少，摩擦系数低，对进一步研制搅拌设备新型轴封具有指导意义和实用价值。     

不同T形动压槽液膜密封性能对比分析

针对T形槽机械密封摩擦副密封环端面间的液膜密封性能问题,建立了收敛形、直角形和发散形3种形式的动压槽液膜几何模型;并对3种不同形式动压槽的液膜流场进行了数值计算,得到了对应端面流场的压力分布.讨论了不同工况对3种槽形结构密封性能的影响并进行对比分析.结果表明:3种槽形结构的端面液膜压力分布规律相同,端面液膜压力均在左侧...     

转子涡动工况下螺旋槽液膜密封性能研究

基于转子在临界转速下的涡动特性,分析转子涡动的轴心运动轨迹.由于动环圆心运动轨迹追随转子,故以动环圆心的圆形运动轨迹为研究点,建立动环偏心的液膜区域模型.采用有限差分法对广义雷诺方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到液膜密封端面压力分布,并探讨动环偏心距对液膜开启力、摩擦扭矩、泄漏量以及空化率等液膜密...     

基于正交试验法的孔槽耦合端面机械密封槽参数设计

为研究机械密封端面形貌对密封性能的影响,以具有孔槽造型端面的机械密封为对象,采用正交试验法研究螺旋角、槽深、槽径比、槽数4个参数对密封性能的影响,并应用Fluent软件对不同设计方案进行数值模拟.结果表明,研究相同数量的参数时,正交试验法比单参数法可节省80％以上的工作量,是一种十分高效的研究方法.通过模拟分析,得到以质量泄漏率、摩擦力为目标函数时的最优方案.极差分析结果表明,槽径比是对密封性能影响最大的参数.     

新型流线槽流体动压型机械密封性能*

以核主泵用新型流线槽流体动压机械密封为研究对象,建立密封间隙内液体膜的压力控制方程,应用有限差分法求解,分析特定工况下流线槽的结构参数对密封性能的影响。结果表明：泄漏量和刚度对密封间隙的变化最为敏感,间隙增大时,泄漏量迅速增加同时刚度急剧下降;刚度随槽深、槽长比、堰宽比增大而先增后减,并在一定区域获得峰值。流线槽槽数为12、槽深为2 μm、密封端面间隙为1 μm、槽长比为0.6、堰宽比为0.6时,液体膜具有较大的开启力、刚度和刚漏比,密封端面产生的流体动压效应显著,密封工作性能达到较佳状态。     

组合螺旋型槽干气密封密封性能的CFD仿真

设计一种由2个螺旋槽组合构成新型螺旋型槽干气密封结构,该组合螺旋型槽由沿外圈开设的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部开设的小螺旋槽组合而成。运用流体仿真软件Fluent对组合螺旋型槽干气密封的密封性能进行数值模拟,并与螺旋型槽干气密封进行比较。通过正交试验法对组合螺旋型槽干气密封的结构参数进行优化分析,获得了以开启力、泄漏量、扭矩为目标函数的组合螺旋型最优端面结构。结果表明,组合螺旋型槽干气密封在同等结构参数下的密封性能优于螺旋型槽干气密封,且压力、槽台宽比和槽深越大,组合螺旋型槽在减少泄漏量方面的优势更加明显;对于组合螺旋型槽干气密封,泄漏量、开启力、扭矩最优对应的端面结构参数组合不同,在干气密封设计时,应根据设计目标需要,选择合适的端面结构参数组合。     

双槽阶梯槽干气密封性能研究

针对干气密封系统在高转速工况下密封性能差、泄漏量大的问题,提出一种双槽阶梯槽端面密封结构.采用CFD对比分析不同压力、转速下单螺旋槽、双槽阶梯槽、阶梯槽3种槽型的密封性能,探讨槽深、螺旋角对密封性能的影响,得出了双槽阶梯槽型优化的结构参数.结果表明:双槽阶梯槽在降低泄漏量和提高综合密封性能上要优于阶梯槽和单螺旋槽;在槽...     

型槽参数对斜直线槽液膜密封性能的影响

为进一步探索斜直线型槽对密封性能的影响机制,基于质量守恒边界并定义液膜密度比,建立斜直线槽液膜密封动压润滑模型;采用有限差分离散方程,对比分析液膜空化理论与实验值,验证计算模型与程序准确性;研究斜直线型槽参数包括槽数、槽深、径向和周向槽宽比对密封性能的影响。结果表明：不同倾斜角时,在临界范围内,增加槽数或增大槽深均有助于提升液膜承载力、增大泄漏量并有效降低液膜空化,尤其在较大倾斜角下;在一定范围内,虽均增大径向和周向槽宽比可提升液膜承载力、促进液膜空化发生及增大泄漏量,但影响规律不尽相同。以提升液膜承载力为目标,得出的最优型槽参数为槽数42、槽深25μm、径向和周向槽宽比分别为0.7和0.6。     

\"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。     

基于CFD的端面空化对液膜密封稳态特性影响研究

基于满足质量守恒的空化模型,利用CFD FLUNET软件建立螺旋槽液膜密封端面三维模型,探讨螺旋槽结构参数对密封端面空化产生的影响规律,分析端面空化对密封端面间流体膜的开启力、液膜刚度、泵送率等的影响。结果表明:以液膜中气相体积分数变化为判据,空化效应随槽深和槽数的增加而增强,随槽径宽径比的增加呈现先增强后减弱的趋势,但随螺旋角的增加而减弱;考虑空化效应后,液膜开启力和泵送量的数值与未考虑时有所降低,但变化趋势基本一致,而液膜刚度在一定的螺旋槽结构参数范围内波动较大,影响液膜的稳定性。因此,端面空化易导致密封失效。