双向旋转梯形槽干气密封流场的数值模拟

介绍一种用作抑制密封的新型泵用双向旋转梯形槽干气密封,并定义了该密封的主要几何结构参数.基于气体润滑理论,建立了梯形槽干气密封端面流场的数值计算模型.利用Fluent软件对流场进行数值模拟,获得了端面气膜压力分布、气流速度场、开启力及泄漏率等数据,并分析了端面槽深、槽宽比、吸入角和槽长坝长比对端面开启力、泄漏率这2个主要密封性能参数的影响规律,发现该密封的开启力与泄漏率均随槽深、槽宽比和槽长坝长比的增大而增大,随吸入角的增大而减小.研究结果为双向旋转梯形槽干气密封的设计和进一步研究提供了参考.     

高压干气密封流场数值模拟

干气密封在高温、高压以及各种腐蚀性介质的应用越来越广泛,高压高温给干气密封带来什么影响,人们的认识还不足,特别是理论计算中存在许多问题。我们知道高压工况下,干气密封端面气膜流场的压力和温度变化较大,而介质密度、粘度应是随压力和温度的变化而变化的,特别是气体的密度受压力的影响较大。但以往的传统干气密封数值模拟中,大多是密封介质的密度按照假设温度和压力值选定,并未曾考虑到密封介质物性参数变化对密封性能的影响,因此研究结果难免有些误差。本文提出了高压干气密封流场计算的新方法,考虑了流场和温度场变化对密度的影响。首先使用ANSYS Workbench软件对密封环进行热分析,得到了密封环的温度场分布,并推出端面气膜的温度分布;采用用户自定义函数（UDF）将密封介质N2的密度定义为压力和温度的区间函数,用加载了UDF的Fluent软件对端面气膜流场进行数值模拟计算,通过不断地迭代计算得到端面流场的压力分布和开启力。 分别采用变密度（自定义密度为压力和温度的函数）和定密度（直接将密度设定为定值）两种方法,通过Fluent软件对上述干气密封流场进行了模拟仿真,并进行了网格尺寸在模拟仿真时的无关性验证。对比模拟结果,可以看到变密度方法所得到的计算结果更接近工况实际情况,该算法解决了模拟计算中介质物性参数设置存在的问题,值得借鉴。 研究发现：使用Fluent的UDF功能来描述干气密封端面间隙气体密度的变化是可行的,为更精确地模拟端面间隙流场提供了一种新方法。在高压工况下,压力变化对气体密度影响较大,变密度方法能够更加真实地反映其流场。此外还应考虑温度变化对气体密度的影响。     

干气密封密封环温度场的数值分析

干气密封的密封环温度分布是分析其热变形的基础。本文建立了A型干气密封动、静环和密封间隙流场的三维计算模型,在ANSYS 的Workbench平台采用热–流耦合方法求解动、静环三维稳态热传导方程,得到其温度场。数值模拟结果表明：气膜粘性剪切热是干气密封系统的主要热源;在给定工况、给定密封结构中,83.3%的气膜粘性剪切热通过密封端面传递给动环,只有9.7%传递给静环,剩余7.0%的热量由泄漏介质带走;动环平均温度略高于静环;动、静环端面温度最高,背面温度较低;在端面上温度也不是均匀的,在螺旋槽根部至密封泄漏出口段温度达到最高。研究结果为干气密封动、静环变形研究、选材和结构设计理论的完善提供了一定的参考依据。     

螺旋槽干气密封特性有限元分析

从可压缩气体的基本方程出发,对螺旋槽干气密封特性进行了有限元分析,推导了相应的离散方程,得到螺旋线槽气体密封端面间隙内气膜的压力分布,并把计算结果和文献中的实验值进行比较,验证了计算结果的正确性,对螺旋槽密封参数的进一步研究具有重要的指导意义.     

端面变形锥角对干气密封性能影响的数值模拟

多数干气密封端面流场分析是在假设平行间隙的前提下进行的,而工作状态下由于力变形和热变形的共同作用,两密封环的端面呈近似线性收敛型的楔形间隙。本文对平行及不同锥角的收敛型气膜流场进行了模拟分析,讨论了端面变形锥角对干气密封性能的影响。使用ANSYS软件对气膜流场模型进行前处理,对于流场中气体密度和粘度的变化,采用用户自定义函数（UDF）将密封介质的密度和粘度定义为压力的函数,再利用Fluent软件对气膜流场进行数值模拟计算。发现本文采用的变密度变粘度方法对干气密封楔形气膜流场的模拟是可行的。收敛型气膜锥角β使气膜径向压力分布发生改变,压力分布为连续光滑的上凸曲线。与平行间隙对比,发现其螺旋槽槽根处的压力明显下降,但随着β的增大,压力下降速度越来越缓。在相同的工况下,随着β的增大,总体气膜厚度增加,而端面内径处膜厚先减小后增加,外径处膜厚和泄漏量随着锥角的增大一直增加,并且在某一锥角后泄漏量增加明显。在0≤β≤0.00050rad的范围内得出膜厚和泄漏率与β的关系式,并建议0≤β≤0.00030rad。随着β的增大,端面螺旋槽产生的气体动压效应作用减弱,而端面径向楔形效应作用增强并起到使端面开启的主导作用。     

液体润滑螺旋槽机械密封性能的数值分析

采用有了差分数值计算方法,求解螺旋槽液体润滑的雷诺方程,获得了液体润滑螺旋槽机械密封端面的液膜二维压力分布,并计算了分析操作参数和结构参数对密封端面开启力和液膜刚度的影响。     

离心压缩机主轴密封的比较分析

为了合理地选用离心压缩机主轴密封,以防止有害气体沿轴向泄漏到大气中,本文对离心压缩机主轴常见的迷宫密封、浮环密封、接触式机械密封、干气密封进行了对比分析。迷宫密封泄漏量较大,且只能适应压力较低的场合,一般不单独使用;浮环密封和接触式机械密封需要密封油及油液控制系统,其控制系统复杂、维护费用高、污染严重、能耗较大、稳定性较低;干气密封是一种气体润滑非接触式端面密封,泄漏量少,运行成本低,对介质和环境污染少,寿命长。因此,干气密封是目前离心压缩机主轴密封的最佳密封形式。通过使用干气密封,可大大降低企业的生产成本,减少对介质气体和环境的污染。     

L形槽织构化机械端面密封性能的研究

针对L型槽织构化机械端面密封,建立理论模型,利用基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的数值模拟方法研究L型槽表面织构在不同槽深、槽型长宽比、偏转角度及动环转速下的密封性能。结果表明:L型槽的动压效应能改变密封端面的压力分布;随偏转角度的增大,密封端面承载力和泄漏量呈波浪式变化规律;偏转角度为225°、长宽比为1的L型槽能改善高速条件下机械端面密封承载能力,并能维持端面泄漏的稳定。     

考虑空化效应的微孔端面机械密封泄漏量计算及机理的研究

微孔端面机械密封泄漏量的数值计算方法和机理都不明确。基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了微孔端面机械密封的数值计算模型。数值计算结果表明沿着泄漏方向的不同截面的流量并不相等,所以必须要选择合理的积分截面才能计算出正确的泄漏量。根据径向流量场、周向流量场和压力场的分析,讨论了沿着泄漏方向流量不等的原因,揭示了空化效应和动压效应形成高压区,造成泄漏方向流体沿周向运动,从而降低了泄漏量。最后给出了微孔端面机械密封泄漏量计算的公式和方法。     

考虑空化效应的微孔端面机械密封泄漏量计算及机理

针对微孔端面机械密封泄漏量的数值计算方法和机理都不明确,基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了微孔端面机械密封的数值计算模型。数值计算结果表明沿着泄漏方向的不同截面的流量并不相等,所以必须要选择合理的积分截面才能计算出正确的泄漏量。根据径向流量场、周向流量场和压力场的分析,讨论了沿着泄漏方向流量不等的原因,揭示了空化效应和动压效应形成高压区,造成泄漏方向流体沿周向运动,从而降低了泄漏量。最后给出微孔端面机械密封泄漏量计算的公式和方法。     

高速动压密封的气液两相性能对比分析和试验

为明确气相介质和液相介质分别对高速流体动压密封性能的影响,进行两种相态的密封性能对比分析与试验研究.分别建立动压密封端面流体域的气相和液相数值分析模型,分析转速、压差、槽深、槽数、槽坝比等操作参数和端面结构参数对动压密封气相和液相的泄漏量、开启力等性能的影响.自主研制动压密封试验装置,进行变转速、变压差和密封端面磨损试验,得出了转速、压差等操作参数对密封气相泄漏率、液相泄漏率和端面磨损率的影响.数值模拟和试验研究结果表明:相同的转速和压力时,液相密封开启力和泄漏量都比气相密封更大;不同结构参数下,气相和液相密封开启力均有极大值,气相密封和液相密封开启力达到极大值的最优结构参数有所不同,液相密封的最优槽坝比、最优槽数较气相密封小,液相密封开启转速较气相密封低,说明液相动压密封比气相动压密封更容易开启;低速时密封端面磨损较严重,高速时密封端面几乎无磨损,动压密封更适合在高速工况下运行.     

径向直线槽气体机械密封端面间压力分布的数值计算

端面开槽机械密封是为适应高参数工况和追求长寿命而开发的一种新型密封,而径向直线槽机械密封具有能可正反向旋转的特性,受到密封研究者的重视．本文用有限差分数值方法研究了该类机械密封用于气相时端面间的压力分布,发现端面的压力分布沿径向和周向均有变化,属于两维压力分布问题．并指出径向直线槽能产生足够的流体动压力而实现端面的非接触．     

考虑实际气体效应双列螺旋槽干气密封反转性能分析

离心式压缩机在实际生产运行中,因故障停机时会发生反转,要求配置的干气密封具有一定的抗反转能力。针对双列螺旋槽干气密封,选用CO₂作为密封介质。用R-K方程表达实际气体效应,修正气体润滑Reynolds方程,分析在反转情况下,不同转速、膜厚、压差以及反向螺旋槽径向尺寸与正向螺旋槽径向尺寸之比（ε）对密封性能的影响。分别获得了正转、反转和静止3种状态下的端面开启力、泄漏率、气膜刚度和开漏比等密封性能参数。以气膜零刚度反转速度为抗反转能力性能指标,结果表明：CO₂实际气体端面开启力和泄漏率大于理想CO₂气体,而开漏比小于理想气体,分析CO₂气体润滑的双列螺旋槽干气密封性能需要考虑实际气体效应。双列螺旋槽干气密封具有一定的抗反转能力,当反转速度小于气膜零刚度反转速度时,干气密封可以正常操作。以气膜零刚度时的反转速度为最大值,本计算案例最大反转速度为2 524 r/min。     

Labyrinth seal leakage and dynamics characteristics analysis based on Black Model

One of the important problems to be tackled in turbo machines is the leakage dynamics characteristics of labyrinth seals.In this paper we analyzed the effect of labyrinth seal structure and the change ...     

混合刷式密封泄漏特性的数值研究

为分析某型号汽轮机改进的刷式密封结构的密封性能,采用non?Darcian多孔介质模型的Reynolds?averaged Navier?Stokes方程数值求解方法,对泄漏流动特性及转子表面、刷束自由高度和保护高度的压力、速度、湍流动能分布规律进行数值研究,并与迷宫密封进行相应的比较。结果表明：相同的间隙和压比下,混合刷式密封流场分布要比迷宫密封复杂,泄漏量明显小于迷宫密封;相同的结构和参数下,泄漏量随着压比的上升而增加;转子表面的轴向压力和湍流动能从进口到出口呈现阶梯状递减趋势,保护高度的径向压力基本趋于常数值;刷束径向速度和湍流动能随着压比的上升而增加,刷束下半部分和后挡板保护高度对泄漏特性影响比较大。研究结果为汽轮机刷式密封的结构设计,改善性能,提供了理论依据。     

径向直线槽液体机械密封端面间压力分布的数值计算

端面开槽机械密封是为适应高参数工况和追求长寿命而开发的一种新型密封,而径向直线槽机械密封具有可正反旋转的特性,受到密封研究者的重视。本文用有限差分数值方法研究了该类机械密封用于液相时端面间的压力分布．发现端面的压力分布沿径向和周向均有变化,属于两维压力分布问题,并指出径向直线槽能产生足够的流体动、静压力而实现端面的非接触。     

Effects of Geometry on Leakage Flow Characteristics of Brush Seal

In order to better application of brush seal in rotating machinery,the leakage flow characteristics of the brush seal considering geometry effects are numerically analyzed using Reynolds-Averaged Navier-Stokes( RANS) model coupling with a non-Darcian porous medium model. The reliability of the present numerical method is proved,which is in agreement with the experimental and numerical results from literatures. Three different bristle pack thicknesses,fence heights and initial clearances under different pressure ratios,rotational velocities and other operating conditions are utilized to investigate the effects of geometry modification on the brush seal leakage flow behaviors. It discusses the effectiveness of various geometry configurations outlining important flow features. The results indicate that the increase of fence height and clearance would lead to the increase of leakage rate. But the leakage is not linearly with respect to the bristle pack thickness,and the effect of rotational velocity is not obvious. Moreover,the detailed leakage flow fields and pressure distributions along the rotor surface,free bristle height,and fence height of the brush seals are also presented. The static pressure drop amplitude through the bristle pack and the pressure rise amplitude through the cavity would increase while the pressure differential increases. And the axial pressure is the main reason of bristle blow down. The results provide theoretical support for the brush seal structure optimal design.