基于波箔片变形的浮动式箔片气膜密封性能分析

为保证应用于航空发动机动密封的稳定运行,针对浮动式箔片气膜密封,采用考虑库仑摩擦作用的波箔片刚度模型,利用中心差分法和超松弛迭代法耦合求解箔片变形方程、压力控制方程和气膜厚度控制方程,并运用小扰动法,结合压力与箔片变形的平衡关系,获得锲形润滑气膜的流场分布,分析了工况参数、箔片结构参数以及直线动压槽分布位置对密封静、动态特性的影响规律。研究结果表明：受益于密封面的变形作用,浮动式箔片气膜密封可根据运行工况自主调节气膜间隙;进口直线槽的气膜浮升力和泄漏量均大于中间直线槽;密封特性与气膜压力和密封间隙密切相关,但受到库仑摩擦效应的影响很小;库仑摩擦效应和加厚箔片都可在一定程度上增大箔片刚度,使得密封表面变“刚”;浮动式箔片气膜密封在高转速服役环境下的综合表现良好。研究成果为今后浮动式箔片气膜密封的结构设计和试验测试奠定了理论基础。     

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。本文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较为详细的分析研究。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重大影响；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。     

基于MATLAB的螺旋槽干气密封性能分析

基于穆特曼方程,以MATLAB计算干气密封性能参数,计算结果与实验数据、CFD软件模拟结果比较表明:MATLAB编程解决密封端面流场分析的方法可靠。为进一步研究螺旋槽干气密封端面压力分布规律,优化密封性能、提高运行稳定性提供了一种简单直观的方法。     

基于相变效应的内压型螺旋槽液膜密封性能分析

液膜相变现象不仅改变了端面润滑状态,而且对密封性能及稳定性有着显著的影响。使用有限体积法对控制方程进行离散,研究了螺旋槽结构参数与密封工况参数对密封性能及液膜相变率的影响。结果表明：开启力与泄漏量随螺旋角、槽数、槽深、压差、转速的增大而增大,随槽面宽比、槽台宽比的增大先增大后减小,分别在槽面宽比ζ=0.5与槽台宽比φ=0.7时取到最大值。相变率随螺旋角、转速的增大而增大,随槽数、槽深、压差、槽台宽比的增大而减小,随槽面宽比的增大先减小后增大,在槽面宽比ζ=0.8时取最小值。通过对各参数合理地选择与组合,可以有效地抑制相变进程,进而在保证密封运行稳定的同时利用相变现象提高密封性能。     

基于CFD的螺旋槽干气密封气膜刚度的计算

应用Gambit软件建立三维螺旋槽干气密封模型,并对其进行网格划分。在相同特定工况下,运用Fluent软件对6种不同气膜厚度的螺旋槽干气密封内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到其流场的压力分布及径向压力分布。通过不同厚度的气膜所产生的动压来获得它们的气膜推力,再利用最小二乘法则拟合得到了气膜推力关于气膜厚度的解析式,求得气膜刚度。结果表明,气膜刚度是关于气膜厚度的负指数函数,通过与试验进行对比,证明了利用此函数来求解气膜刚度是正确的。     

基于迹线的拟合曲线槽干气密封气膜流场的性能研究

对螺旋槽中间面的中间线上的流体迹线进行拟合,将该拟合曲线作为干气密封的槽型线,建立拟合曲线槽三维立体模型,运用Fluent软件对该拟合曲线槽在干气密封特定工况下(压力为0.50MPa、转速为3kr/min)的最大压力、泄漏量进行数值模拟和分析,并与螺旋槽进行比较。研究结果表明:在相同工况下拟合曲线槽的最大压力为0.60MPa,螺旋槽的最大压力为0.55MPa;拟合曲线槽的泄漏量为8.0×10-3m3/h,螺旋槽的泄漏量为9.6×10-3m3/h。拟合曲线槽和螺旋槽相比,其动压效果更好,泄漏量更小,在工程上可以考虑用拟合曲线槽代替螺旋槽实现更好的密封效果。     

膜厚扰动下的非线性效应对干气密封性能影响研究

基于气体润滑理论,建立了普通螺旋槽、上游泵送螺旋槽和双列螺旋槽三种典型螺旋槽干气密封（DGS）的稳、瞬态模型,采用有限差分法求解并获得了三种典型螺旋槽DGS的稳、瞬态密封性能参数。研究了三种典型螺旋槽DGS稳态性能差异的产生机理及不同膜厚扰动条件下干气密封瞬态性能的演变规律,定义了瞬态性能参数及其时间平均值相对稳态值的变化率,探究了膜厚扰动下的非线性效应对三种典型螺旋槽DGS瞬态性能的作用规律及稳态理论的适用范围。结果表明：上游泵送螺旋槽的开设对密封性有明显提升但对开启性有一定削弱;非线性效应的影响随膜厚扰动的增大而增大,在膜厚大幅扰动下,基于瞬态理论计算的密封性能参数平均值会明显大于稳态值,此时依靠稳态理论获得的计算结果误差较大;普通螺旋槽DGS受非线性因素的影响最小,在其稳态理论可接受的性能误差范围内,所允许的膜厚扰动相比另外两种螺旋槽DGS更大。     

考虑表面粗糙度的柔性箔柱面气膜密封紊流特性分析

柔性箔柱面气膜密封是一种可适应氢气压缩机高速转子大变形的密封结构新形式,该密封结合了气膜楔形动压和箔片柔性来实现高性能密封,但是目前高速环境下紊流与表面形貌的相互关联机制对柔性箔柱面气膜密封性能的影响规律缺失,因此本文以表面粗糙度为主要考量因素进行周期性分析计算,并设计了不同表面粗糙度变化对高转速柔性箔密封性能启停循环实验的影响。研究结果表明,当表面形貌不规则度越高,中性面产生的压力波动越大;泄漏率和气浮力随着表面粗糙度的增加而增加,动态特性系数气浮刚度则呈下降趋势,因而气膜稳定性降低;循环周期实验下,气膜密封存在迟滞现象,表面形貌的不规则越高,密封迟滞能越大,另外,受弹性元件、系统摩擦与转速瞬态变化的影响,柔性箔柱面气膜密封会出现反迟滞现象。     

雁型槽干式气体端面密封性能的数值分析

为了改善普通螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的密封性能,引入了一种介于普通S-DGS和带环形槽S-DGS(即AS-DGS)两者之间的型槽轮廓类似飞行大雁的雁型槽DGS,即GS-DGS。基于气体润滑理论,建立了GS-DGS的数学分析模型,定义了GS-DGS的主要几何结构参数,采用有限元方法求解Reynolds方程,获得了端面气膜压力分布,分析了这些几何参数对端面开启力、泄漏率、气膜刚度、刚漏比等密封性能参数的影响规律,并根据确保GS-DGS具有较大轴向气膜刚度的同时泄漏率较低的原则,对几何参数进行了优化分析。结果表明,当槽台宽比δ=0.8～1.2,径向开槽宽度比φ=0.4～0.8,雁颈长比ε=0.25～0.35,雁颈宽比ζ=0.2～0.4,槽深比H=2.5～4.0,槽数N=10～18且螺旋角α=10°～18°时,GS-DGS具有最佳工作性能。     

螺旋槽液膜密封热流体动力润滑性能分析

基于热流体动力润滑理论,建立了基于质量守恒和能量守恒的螺旋槽机械密封准三维热流体动力模型,采用有限单元法同时求解跨膜平均能量方程和动静环热传导方程,并迭代求解广义雷诺方程和温度方程获得了液膜压力、温度和密封环的温度分布。对比分析了不同螺旋槽参数下密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)的密封特性。结果表明：高黏度下润滑液膜的热效应不可忽略。与THD模型相比,HD模型过高估计了开启力和摩擦系数,但低估了密封泄漏率。以开启力为目标,THD模型下的最优槽深小于HD模型下的值;大的槽坝比和螺旋槽个数均会增加密封泄漏率;螺旋槽结构对摩擦系数的影响规律与开启力趋势相反;大槽深和大槽坝比有助于降低液膜和密封环的温度。     

基于F-K滑移流模型的柱面微槽气浮密封浮升能力分析

由于气浮密封薄膜引发的滑移流现象频发,本文针对一种新型柱面螺旋槽气浮密封,基于线性化Boltzmann方程（F-K 模型）,引入流量因子,建立稀薄气体润滑的F-K滑移流模型。采用高精度八点差分法和Newton-Raphson迭代法求解气膜压力,解决了表面槽-台阶跃、径向偏心与极薄气膜三者耦合下对求解发散和计算精度的影响。将计算结果与现有研究对比,并考察了气体滑移流效应与运行参数的内在关联,研究结果验证了新型柱面螺旋槽气浮密封在高速、低压、小膜厚和大偏心下具有较为明显的滑移流效应;此外,虽然槽深、槽数和槽长的增加提高了气膜浮力,但是增强了槽内滑移流动的响应。研究结果为拓宽动压密封应用范围提供理论了基础。     

油封动态密封性能的分析

将油封的表面效应和结构效应作为油封动态密封机理,借助有限元对密封介质在密封间隙中的流动情况进行了模拟,分析了油封唇口表层材料弹性皱纹的反旋段L1和正旋段L2的差值(△L)和轴转速(n)对表面效应引起的泵吸率的影响,以及转速对结构效应引起的泵吸率的影响.结果表明,随△L值的增加及轴转速的提高,由表面效应引起的泵吸率有所增大;随着轴转速的提高,由结构效应引起的泵吸率也随之增大;同时得出表面效应和结构效应两流体域内流体的压力分布和速度分布情况.     

基于有序微造型的圆弧线槽干气密封性能分析

基于激光技术的干气密封开槽方法，提出在圆弧线槽干气密封（A-DGS）槽底开设粗糙度量级的有序微造型，以提高开槽效率、降低成本。采用有限体积法对无微造型圆弧线槽干气密封进行仿真分析，通过与现有文献对比验证了仿真方法的正确性；对微造型结构进行分析和筛选，获得偏移迎风侧与偏移背风侧结构对密封性能影响基本无差，本研究基于偏移背风侧微造型结构进行深入研究；与无微造型圆弧线槽进行对比，分析了不同几何参数和工况参数下的开启力和泄漏量变化情况；最后对各参数的影响程度进行对比分析。结果表明：同工况下，具微造型圆弧线槽干气密封（MA-DGS）的开启力较A-DGS有一定提升，在低速高压及小槽深时提升效果最好；微造型深度和微造型宽间比对干气密封开启力的影响在给定情况下甚于膜厚与转速的影响；密封端面槽型结构优化参数不受槽底微造型设计的影响；基于Taguchi实验设计方法，可以便捷准确地获得不同影响因子的影响程度，帮助工程设计。     

基于Kriging模型的楔形闸阀结构优化及密封性能分析

以NPS12—Class150楔形闸阀为研究对象,对闸阀阀体中腔加强筋结构与位置进行正交试验设计,通过Kriging代理模型对正交设计结果进行曲面插值后,利用遗传算法对Kriging代理模型求取最优值,实现闸阀阀体强度及其密封性能优化.数值模拟验证结果表明:与优化前相比,优化后的闸阀最大等效应力减小了29.97％,最大...     

基于JFO空化和幂律模型的螺旋槽液膜密封流体动压特性

密封端面间润滑流体的非牛顿特性对密封的性能有重要影响。基于满足质量守恒的JFO空化边界条件及描述流体非牛顿特性的幂律模型,建立了考虑流体非牛顿特性的螺旋槽液膜密封数学模型。采用有限差分法对控制方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到了密封端面液膜压力分布。探讨了润滑流体的非牛顿特性对螺旋槽液膜密封的液膜承载能力、泄漏量、摩擦扭矩等性能参数及液膜中空化发生情况的影响规律。结果表明：随着幂律指数的增大,液膜承载能力先增大后减小,泄漏量和空化率增大,摩擦扭矩减小;幂律指数为0.96时,相对于牛顿流体,液膜承载能力提升约4.6%,密封端面空化率下降约98.6%,泄漏量下降约5.8%,摩擦扭矩增加约0.3%;随着操作参数的改变,不同幂律指数下的流体动压性能参数变化规律具有相似性;润滑流体的合理选择对液膜密封性能改善有重要意义。     

基于广义有限差分法的三维固体声子晶体弹性波禁带带隙分析

声子晶体作为一种人工周期性结构,能够实现特定频率范围内波的屏蔽,这个频率范围被称为禁带.目前,已有多种方法用于对能带结构的数值模拟,但多数是二维结构.广义有限差分法(Generalized Finite Difference Method)作为一种无网格算法,具有简单易用、普适性强等特点.本文使用广义有限差分法,对三维...     

基于振动特性分析的离心叶轮结构优化

以某离心叶轮为例,采用有限元法对叶轮进行了强度和振动特性分析,结合参考资料中的理论,找出叶轮结构设计不足之处,对其进行结构改进优化,不仅可以满足叶轮静强度设计的需要,而且优化后的叶轮具备良好的振动特性,为结构设计提供设计参考.     

考虑锥度及波度的螺旋槽液膜密封动态特性分析

密封端面因热力变形或机械加工产生的形貌变化显著影响密封性能。建立考虑径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封数学模型,利用偏导数法求解动态雷诺方程,并采用有限元法计算液膜密封开启力、刚度、动态刚度及阻尼系数,进而分析了径向锥度及周向波度对液膜密封稳、动态特性的影响。结果表明：液膜密封开启力随着锥度的增加逐渐减小,随着波幅的增加逐渐变大,同一波幅下,波数增多,开启力减小;液膜刚度随着锥度的增加逐渐减小,且波数不同时随波幅的变化趋势不同;液膜动态刚度系数绝对值随锥度的增加逐渐减小,轴向刚度系数和角向刚度系数受波度的影响比较明显;液膜动态阻尼系数随锥度的增加逐渐减小,随波幅的增加逐渐变大。