螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟

应用计算流体动力学分析Fluent软件对螺旋槽干气密封润滑气膜特性进行数值模拟,得到气膜流动场的压力分布、泄漏量、气膜开启力等特性参数;模拟数据与试验数据进行比较,并分析两者存在误差的原因。结果表明,随着转速、介质压力的增大,螺旋槽干气密封气膜压力、开启力、泄漏量也增大;该模拟方法的模拟结果与实验结果基本一致,可用于螺旋槽干气密封的优化设计。     

螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究

由于干气密封端面间隙仅为3~5 μm,因而对端面流场气膜参数及其位移变化量的测试技术是个难点,同时也是研究干气密封系统稳定运行的关键点。基于Labview测试系统软件平台,通过编写测试程序建立干气密封端面参数测试系统,确定相应的测试技术,选用合适的传感器等硬件设备,采用必要的抗干扰措施,对影响端面密封性能的参数(泄漏量、功耗、膜压)和端面稳定性参数(膜厚及振动位移)进行测试,研究不同工况下压力和转速对端面参数的影响。试验表明：气膜压力、气膜厚度、泄漏量、功耗随着压力和转速的升高而增大;气膜和静环的位移量随着压力和转速的增加而减小;气膜的振动幅值很微小,特例中仅为0.04～0.16 μm,,说明静环追随动环性能较好;同时,气膜刚度随着压力和转速的升高而增加,反映出高压力、高转速下干气密封能够稳定运行。     

转子-轴承-干气密封系统轴向振动稳定性分析

基于非线性振动原理,建立转子-轴承-干气密封系统轴向振动动力学模型,定性分析螺旋角及螺旋槽槽深对系统稳定性的影响,并与仅考虑干气密封系统的分析结果进行比较。在特定工况下,计算并通过多次拟合得到非线性气膜轴向刚度和阻尼,将其代入到双自由振动方程,得到一个三阶的非线性双自由度受迫振动微分方程。运用Runge-Kutta对该方程进行求解,分析螺旋角对密封环振动位移的影响。结果表明:静环的振动位移随着螺旋角(76.5°～80.0°)的增加先减小后增加,当螺旋角为78.50°时,振动数值最小,其最大振幅为7μm,最大振速为25μm/s;在考虑转子和轴承影响的干气密封系统中,螺旋角对密封环振动的影响更加显著;改变螺旋角可以调节和减小密封环的振幅,而改变螺旋槽槽深对静环的振动幅值几乎没有影响。研究表明,通过适当增加螺旋角度(0.5°～0.6°),可以使密封环的振动位移最小,从而保证干气密封系统的稳定运行。     

柱面螺旋槽干气密封流动场数值计算与试验验证

针对柱面螺旋槽干气密封中的单列螺旋槽结构特点,建立螺旋槽浮环气膜密封的数学分析模型。基于中心差分法和Newton-Raphson迭代法,进行压力控制雷诺方程和气膜厚度方程的求解,得到压力和气膜厚度分布及不同操作参数下柱面单列螺旋槽气膜的泄漏量,并分析工况参数对柱面螺旋槽稳态性能的影响。结果表明:泄漏量是随着偏心率和压力的增加而升高;当偏心率一定时,转速的增加,导致泄漏量下降;当转速一定时,压力的上升导致泄漏量的急剧上升,近乎线性分布。试验结果与理论分析结果相吻合,验证了理论模型和计算方法的正确性。     

非接触动密封螺旋槽气膜刚度数值模拟与分析

利用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面五种不同气膜厚度进行三维立体模型建模,采用FLUENT前处理功能对其进行网格划分。在特定工况下,利用Fluent流场计算软件对五种端面微尺度流场模型进行数值计算,求出压力沿径向分布和气膜厚度对应的开启力,基于最小二乘法原理基础上,求出开启力与厚度的五次多项式,在对多项式关于气膜厚度求导,得出气膜刚度与气膜厚度的四次多项式。结果表明:气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小,且随着气膜厚度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳,为了使干气密封长期安全、稳定的工作,端面气膜应有足够大的刚度。     

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。     

双螺旋角槽干气密封的槽型优化设计

建立单螺旋角槽干气密封的数学模型,利用数值方法分别研究槽数、螺旋角、槽深、气膜厚度、槽台比以及转速对密封性能的影响规律,计算结果与文献的实验值基本吻合。通过分析对比泄漏量、流场压力分布、平均开启压力等密封性能参数,优化出性能最佳的干气密封几何结构参数。针对单螺旋角槽在螺旋槽入口处的吸力面上存在明显的低压区的问题,提出双螺旋角槽干气密封结构。计算结果表明:双螺旋角槽在密封端面之间产生平均开启压力高于单螺旋角槽;相比于单螺旋角槽,双螺旋角槽在吸力面的入口处的流动分离更加明显,在槽区产生的动压效应更加明显;双螺旋角螺旋槽的密封性能更佳,其气体泄漏量也低于单螺旋槽。     

单双列螺旋槽干气密封端面气膜刚度比较

双列螺旋槽干气密封通常被认为具有比单列螺旋槽干气密封更高的气膜刚度,因而更有利于干气密封的稳定运行,但是尚未见具体的理论分析或实验数据来验证这一结论。针对某一双列螺旋槽干气密封,采用窄槽理论,利用Mathcad 软件计算得到端面气膜压力分布和开启力,并得到开启力与膜厚的拟合曲线,以及气膜刚度与膜厚的函数曲线,并与单列螺旋槽进行对比。计算结果证实了双列螺旋槽干气密封具有比单列螺旋槽更高的气膜刚度,尤其是在开启力较小,气膜厚度较大的情况下,其主要原因是双列螺旋槽干气密封在同一开启力下,具有较小的平衡气膜厚度,即气膜的高刚度大部分是依靠减小的气膜厚度获得。双列螺旋槽干气密封端面开启力稍小,泄漏率稍大。     

螺旋槽干气密封的热量平衡膜厚研究

干气密封在运转过程中,端面气膜因黏性剪切会产生一定的热量,气体从密封进口到出口因膨胀会吸收一定的热量。定量计算剪切热量和膨胀热量及研究其平衡关系, 对干气密封的设计和操作非常重要。针对空气润滑的螺旋槽干气密封,基于间隙等体积的思想,利用当量间隙来等效密封槽台区的槽区和台区间隙,以及利用考虑绝热指数的端面气膜压力控制方程,分别获得剪切热量和膨胀热量的计算式;利用最小二乘拟合法分别获得剪切热量和膨胀热量随气膜厚度变化的表达式,并求得热量平衡膜厚。分别研究转速、槽深、槽宽坝宽比和热量传递系数对热量平衡膜厚的影响规律。结果表明,热量平衡膜厚随转速、热量传递系数的增加而逐渐增加;随槽深、槽宽坝宽比的增加而逐渐减小。     

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。     

氢气实际气体对螺旋槽干气密封性能的影响

干气密封常应用于较高的气体压力。在干气密封的研究、设计和应用过程中,一般将气体处理为理想气体。但高压作用下,气体行为明显不同于理想气体。以螺旋槽干气密封应用于氢气为例,采用氢气的实际气体方程对螺旋槽窄槽理论的气膜压力控制方程进行修正,并加以求解,获得了实际气体行为对干气密封的影响规律。结果表明,实际气体行为对密封的泄漏率有明显影响,而对端面气膜压力和端面开启力影响不大。     

超临界二氧化碳气体端面密封阻塞效应研究

为了分析超临界二氧化碳气体临界状态大幅度物性参数变化和偏离理想气体的真实气体效应对干气密封性能的影响,建立螺旋槽干气密封端面微尺度三维流动模型,分别采用Fluent软件中二氧化碳的实际气体模型和理想气体模型求解密封端面流动方程。数值模拟结果表明:考虑超临界二氧化碳实际气体效应时,端面更容易发生阻塞工况;气膜间隙和转速增大,阻塞效应增强,但温度升高,阻塞效应减弱;在阻塞工况下,密封开启力和泄漏量均随着气体温度、转速增加而降低。     

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...     

高压高转速螺旋槽干气密封浮环变形研究

柱面螺旋槽干气密封被应用于高参数工况时,由于浮环容易发生变形,影响密封系统的运行和性能。根据柱面干气密封的结构特点,建立考虑流固耦合下的旋转环和浮环的模型;绘制柱面气膜计算域,利用独有block映射技术的ICEM软件对气膜模型进行跨尺度网格划分;采用Fluent对气膜流场进行模拟计算,提取浮环表面所受气膜承载力的变化函数;结合ANSYS Workbench将变化的气膜压力耦合到浮环固体表面上进行力变形求解,讨论介质压力、转速对变形的影响规律。结果表明:浮环的变形主要表现为沿径向的挤压变形,浮环外边缘处产生最大压缩位移,且最大变形量超过了密封时的平均气膜厚度,说明流场的变化对浮环的变形有一定的影响;浮环的最大变形量及应力值与介质压力、转速呈线性关系增加,其中介质压力起主引导作用。     

柱面螺旋槽气膜密封结构参数设计分析

针对柱面气膜密封中的人字形螺旋槽结构,采用了几何结构适应性强的有限元法对密封气膜的压力场进行数值计算;定量地计算分析了螺旋槽结构参数对密封特性的影响,建立了螺旋槽几何结构参数变化对承载力、摩擦转矩、泄漏量等影响的规律曲线。计算结果表明:螺旋槽的存在对动压气体润滑压场分布产生较大的影响,压场呈现锯齿状分布;槽的各参数对密封稳态特性有直接的影响,从密封设计角度考虑,槽数取值在14~24之间,螺旋角在60°左右,槽宽比的选择在0.5左右为佳;槽深比、槽长比对泄漏和摩擦力矩影响互相制约,应用中需要考虑其对动态特性的影响。设计中还需结合具体的工况场合,分析比较后确定各参数。     

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。     

螺旋槽干气密封静止状态密封性能研究*

螺旋槽干气密封因设备故障检修、停车等处于静止状态时,其密封性能相比旋转状态下具有明显的差异性和关联性。研究螺旋槽干气密封在静止时的密封性能。根据螺旋槽窄槽理论,得到螺旋槽干气密封静止时密封端面间气膜压力控制方程,并运用解析法求解,获得端面间气膜压力分布、开启力和泄漏率等密封性能参数。结果表明:随着边界压力或膜厚增大,静态泄漏率逐渐增大,当静态泄漏率达到JB/T11289-2012标准规定的最大静态泄漏率时,端面仍处于接触状态;静止状态下的开启力、槽根处的气膜压力和泄漏率随槽深的增加先增大,在槽深大于一定值后趋于稳定;密封端面间的开启力、泄漏率总体上随台槽宽比的增加而减小,但在台槽比为0～10范围内,开启力和泄漏率的变化不大。     

狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟

为进一步优化提升静压干气密封的气膜开启能力,将狭缝节流器与静压干气密封相结合,设计狭缝节流静压干气密封,采用Fluent软件探究狭缝节流器结构参数和布列方式对干气密封性能的影响。结果表明：与经典小孔节流静压干气密封相比,相同节流面积下狭缝节流静压干气密封具有更高的气膜开启力;狭缝、均压槽周径比对静压干气密封气膜开启力的影响相互独立,存在最佳的周径比使得气膜开启力最大;在径向宽度一定的前提下,均压槽的平面空间越充裕,密封间隙内的气膜高压区范围越广、压力均布效果越好;狭缝沿径向、周向的列数增加均能提升气膜开启力;与周向连续狭缝布列相比,非连续性狭缝布列会导致更高的开启力。     

基于Abaqus的干气密封摩擦振动瞬时动态分析

为探讨干气密封环启停阶段干摩擦引起的摩擦振动对密封寿命的影响,建立双端面干气密封简化模型并进行结构网格划分,利用有限元软件Abaqus对低速下干气密封系统进行摩擦振动瞬态分析,探讨槽及槽深、静环材料及摩擦因数、不同槽形对摩擦振动的影响。结果表明:干气密封动环槽深对摩擦振动的影响不大;同一密封压力下,动环带有槽的摩擦副振动幅度要明显大于无槽情况;"硬对硬"材料的密封环配对优于"软硬"配对;相同工况下,T型槽动环的摩擦副较经典螺旋槽摩擦副表现出更好的摩擦性能。     

径向变深雁形槽干气密封开启性能研究

为进一步提高雁型槽端面干气密封在低速、低压工况下的开启性能,在等深雁型槽的基础上对槽底结构进行变深优化,提出了收敛型锥度、收敛型阶梯、发散型锥度和发散性阶梯4种槽底变深结构。基于气体混合润滑理论,考虑密封端面粗糙度效应和端面间气体滑移流效应,建立了雁型槽端面干气密封动压开启分析模型,数值分析了槽底变深结构干气密封的气膜压力分布,研究了相对变深坡度、环颈深度和密封压力对变深雁型槽端面干气密封的临界开启转速和气膜刚度的影响。结果表明:与等深槽相比,槽底变深结构可提高密封端面间气膜承载能力和稳定性;在相对变深坡度λ=3/8～4/8时,变深结构干气密封的临界开启转速nc取得最小值,且发散型变深结构略优于收敛型变深结构;相对变深坡度取最优值时,发散型结构干气密封的临界开启转速nc与等深槽相比降低了10.2%。