螺旋槽干气密封端面气膜压力计算方法讨论

Gabriel所著的<螺旋槽非接触端面密封基本原理>一文中所提出的端面气膜压力的控制方程,是源于经Muijderman完善的螺旋槽窄槽理论.对该文中气膜压力的计算方法进行分析讨论,对其算例进行复算,并与发表的有限元分析结果进行对比,发现其螺旋槽区域的气膜压力控制方程存在错误.在该文中,至少一组数据是根据其错误的方程计算而得.     

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。     

轴向微扰下干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定性分析

推导了干气密封螺旋槽内瞬态微尺度流动场的非线性雷诺方程,应用PH线性化方法及变分运算,得到了轴向微扰下气膜反作用力的增量,继而利用复数转换和迭代法对静态下气膜边值问题进行求解,获得了气膜轴向刚度的近似解析解,并通过动态稳定性分析,获得了稳定性最佳的螺旋槽几何参数值。     

基于滑移边界的干气密封的数值模拟

根据微小尺度流动的特性,引入滑移边界条件,对干气密封进行了数值模拟,得到了比非滑移边界杀仟布Ⅱ假设流体为层流时更为精确的压力场分布。结果表明,干气密封压力最高的位置处于坝区的迎风面,气体在螺旋槽内的压力由外径向内径逐渐升高,其中在螺旋沟槽和密封坝之间的过渡区存在较大的压力降;滑移边界条件下的模拟结果具有良好的周期性,各个周期的过渡性也更加平滑,与实际情况更加接近。     

螺旋槽干气密封的优化设计

用有限元法对螺旋槽干气密封进行了研究，以最大刚漏比为目标对其结构进行了优化，结果表明螺旋槽的槽深、槽数、螺旋角、槽宽堰宽比、槽长坝长比对密封的性能都有较大的影响，优化结果对干气密封的进步一步研究具有较重要的指导意义。     

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。     

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。     

螺旋槽干气密封端面流场分析

采用有限元法对干气密封端面间流场进行了分析,得到了动环旋转时的气膜、槽区以及坝区流场的压力及速度分布,对计算结果与Whipple螺旋槽窄槽理论计算进行了比较.有限元分析结果表明气膜层受螺旋槽的泵入和离心惯性力的双重作用,槽区气体沿径向存在速度梯度,从而引起能量损失,使密封端面的气膜压力下降,影响气膜刚度及密封组件的泄漏量.     

Enhancing Film Stiffness of Spiral Groove Dry Gas Seal via Shape Modification at Low Speed: Numerical Results and Experiment

Abstract

The film stiffness of dry gas seal must be sufficient to keep gas film stable at high and low speed. A generalized geometric model based on triangles is proposed to characterize spiral grooves. A mathematical model is established and solved using the finite-difference method to obtain steady performance. The optimum spiral grooves for maximum opening force and film stiffness are obtained at low speed, and their steady performance is compared with conventional spiral grooves numerically and experimentally. The pressure and flow field of optimum spiral grooves and conventional spiral grooves are simulated to reveal the mechanism of the performance difference. Results show that through-combined spiral grooves outperform the other derived spiral grooves. Their film stiffness is up to 15% larger than that of conventional spiral grooves at low speed.     

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。     

螺旋槽气膜密封微间隙流场的三维数值模拟

根据端面、柱面气膜密封的结构特点,建立端面螺旋槽与柱面螺旋槽气膜密封三维数值分析模型,基于有限体积法利用Fluent软件对端面、柱面气膜密封三维流场特性进行数值模拟研究.与试验结果和相关文献的算例比较验证了该三维数值模拟方法的正确性,为进一步进行密封界面表面状态模拟分析及气膜密封的设计应用提供了理论基础.     

滑流边界条件下MEMS微圆盘的气体压膜阻尼分析

在考虑滑流边界条件的基础上,分析了微缝隙间气体流动的特性,提出了一种粘度修正的分析方法。基于微缝隙气流的粘度修正模型,分析了气体对微圆盘的压膜阻尼效应,得到微圆盘表面的压强分布、压膜阻尼力和压膜阻尼系数的解析解。通过与有限元数值解进行对比,两者结果吻合非常好,误差小于0．0468%,证实了解析解的正确。指出MEMS微圆盘的气体压膜阻尼不但与结构尺寸有关,而且与固体壁面的材质、粗糙度和光洁度等有关。     

螺旋槽气膜浮环密封结构参数设计分析

介绍了螺旋槽气膜浮环密封的结构特点,利用CFD-FLUENT软件分析比较了普通浮环、无坝区螺旋槽浮环和有坝区螺旋槽浮环3种结构的密封性能,建立了螺旋槽几何结构参数变化对浮升力、泄漏量等影响的规律曲线。计算结果表明:有坝区螺旋槽浮环结构密封性能最好;螺旋槽结构参数对密封特性影响较大,综合考虑较小的泄漏量和较大的浮升力,取较小的螺旋角,槽数26~30,槽长7~9mm,槽深25μm左右,槽宽比0.5较适宜。     

直线槽气体端面密封流体膜厚度的测量

针对低速工况气体密封研究较少而实际生产中又迫切需要开发的现状,开发了一种适于低速工况的直线槽气体端面密封,并采用自行设计的测量装置,利用电涡流传感器对直线槽气体端面密封工作时的流体膜厚度进行了监测。