上游泵送机械密封的基本原理分析

上游泵送机械密封是利用低压流体实现对高压流体密封的一项新的密封技术,它的典型特征是在一密封端面开有起上游泵送作用的浅槽,利用流体动压效应使得两完整的流体膜分开,这极大地改善了密封端面的润滑状态。本文介绍了分析了该类机械密封的基本原理。     

零泄漏上游泵送机械密封特性分析及设计

利用无限窄槽理论对零泄漏上游泵送机械密封进行了分析 ,给出了其设计方法、步骤及相关的设计内容 ,用于指导零泄漏上游泵送机械密封的工业设计和应用     

新型上游泵送机械密封的性能研究

针对内径开槽的螺旋槽型上游泵送机械密封易于吸入固体颗粒而产生磨粒磨损的缺陷 ,研制开发出具有内外双密封坝的新型上游泵送机械密封端面结构。实验研究结果表明 ,新研制的双密封坝型上游泵送机械密封在密封性能、摩擦性能等方面明显优于普通的接触式机械密封 ,且与内径开槽上游泵送机械密封相比 ,其防固体颗粒能力大大提高。     

关于上游泵送机械密封的应用的若干思考

上游泵送机械密封主要是借用低压流体的主要特性来实现对高压流体密封的一项全新的密封新技术,它所具备的一个最为典型的特点就是在一密封端面开有起上游泵送功能的浅槽。本文主要基于上游泵送机械密封的工作原理,然后阐述其实际的应用,旨在为更好地认识和应用上游泵送机械密封技术提供一定的借鉴与参考。     

基于数值模拟的自泵送机械密封正交试验

提出了一种进液槽设置于静环、动压槽分布于动环的自泵送流体动压型机械密封;运用正交试验法设计了自泵送机械密封试验方案,并基于Fluent进行了数值模拟试验,探讨了各试验参数对端面开启力和泄漏率影响的显著性。研究结果表明:在试验参数范围内,影响端面开启力F_O的显著因素为槽数N_g、槽长坝长比g、槽台宽比d和压差p;影响泄漏量Q的显著因素为槽数N_g、槽长坝长比g、槽台宽比d、转速n和压差p;具体表现为开启力随着槽长坝长比、槽台宽比、密封端面内外压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;泄漏量随着槽长坝长比、槽台宽比、转速、密封端面内外压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多而呈下降趋势。依据正交试验分析结果,提出了初步优化的密封端面型槽结构。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明：在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

高温密封润滑膜汽液固流动特性数值计算分析

利用Eulerian多相流模型和蒸发冷凝模型,建立了涉及高温汽化、固体颗粒、黏温效应及牛顿流体内摩擦效应的动压型机械密封润滑膜汽液固三相流动模型,计算分析了润滑膜汽液固流动特性随工况的变化规律,以及润滑膜汽化、固体颗粒分布及密封性能的影响关系。研究表明：润滑膜汽化和固体颗粒分布均主要位于槽堰区,汽相和固体颗粒相之间存在相互制约关系;高介质温度导致的液相汽化和黏度下降使流体动压减弱,因而导致外槽根高压区不明显甚至消失。润滑膜汽化程度随转速增大呈先减小后缓慢增大变化规律,存在汽化抑制转速区且随介质温度的升高而向高速方向移动;固体颗粒体积分数在接近汽化抑制转速区时出现快速增大;介质压力增大至一定数值时出现固体颗粒体积分数迅速降至零附近的现象,且介质温度越高出现速降的介质压力越小;介质温度高于423K后,润滑膜开启力、泄漏量和摩擦扭矩均会在接近汽化抑制转速时出现由平缓变化到加速变化的过程。     

自泵送流体动压型机械密封性能分析

基于离心泵工作原理提出了一种自泵送流体动压型机械密封,并运用Fluent软件对自泵送型槽进行了三维流场动力学仿真分析,探讨了几何参数和工况参数对自泵送流体动压型机械密封性能即端面开启力和泄漏率的影响。研究结果表明:转速增大,开启力和泄漏率均减小;介质压力、槽台宽比、引流孔孔径及螺旋角增大,开启力和泄漏率均增大;随着槽数、槽长坝长比的增大,开启力均有所降低,泄漏率略有增大;槽深对开启力和泄漏率的影响趋势相似,存在一个使开启力较大而泄漏率较小的槽深;通过型槽参数匹配,自泵送流体动压型机械密封可以获得足够的开启力和较低的泄漏率。     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型(Based、Johnson)和径向分布函数模型(Lun、Syamlal O’Brien)对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;Syamlal O’Brien模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,BasedLun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。     

气固流化床内宽筛分硅粉颗粒流化特性的数值模拟

为了探索气固流化床内宽筛分硅粉颗粒的流化特性,作者利用计算流体力学CFD软件,采用Eulerian气固多相流模型及SIMPLE算法,模拟了二维气固流化床内不同粒级硅粉颗粒在不同操作件下的气固流化特性;分析了气泡生成、长大和破裂的过程,研究了床内气固两相的流动特性.结果表明:模拟计算值与实验值吻合较好,最大相对误差为10...     

空化热效应对上游泵送机械密封润滑性能的影响

机械密封端面空化现象是影响机械密封润滑性能的重要因素。采用计算流体动力学方法,基于Antoine公式,建立了考虑空化热效应的计算流体动力学模型,并与常用的仅考虑端面液膜粘温效应的模型进行对比,分析了空化热效应对密封性能的影响。结果表明：在低转速下,空化热效应的影响可以忽略,但在高转速下空化热效应使上游泵送机械密封的高压区形成能力减弱,泵送量降低,开启力降低;在高转速工作条件下分析密封失效机理时,除了考虑黏温效应之外,还要考虑空化热效应的影响;空化热效应使螺旋槽槽区局部温度比仅考虑黏温特性时稍高;考虑空化热效应时,动环端面空化发生程度最严重,由动环端面沿膜厚方向至静环槽底,空化区域越来越小,槽底空化区域最小,此规律与仅考虑黏温关系时相反。     

螺旋槽干气密封微尺度气膜的温度场计算

螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而使运行不稳定和泄漏量增大。首先在速度滑移边界条件下,求出气膜压力和气膜速度;然后推导出气膜的能量微分方程,同时引入温度阶跃边界条件,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过Matlab软件数值计算得到气膜的温度分布。结果表明,随着气体从外径流入内径,气膜速度的分布规律是先降低后升高,槽根部周围速度较低;随着气体从外径流入内径,气膜温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;考虑温度阶跃下的温度分布与不考虑温度阶跃下的温度分布相差较小,可以不予考虑温度阶跃对干气密封气膜温度的影响。     

一种新型蜂窝密封的封严特性

为提高蜂窝密封的封严特性,改善转动机械的工作效率,本文在传统蜂窝密封基础上通过改变蜂窝的排列方式得到了一种新型蜂窝密封。采用ANSYS CFX软件对新型蜂窝密封和传统蜂窝密封内的三维流动情况进行了数值模拟,并引入泄漏系数,对这两种蜂窝密封在密封间隙、芯格直径、芯格深度、蜂窝壁厚、压比和转速变化时的封严特性进行了对比分析。结果表明：新型蜂窝密封在大压比、薄壁厚和小间隙下比传统蜂窝密封更具封严优势;当蜂窝密封的芯格直径为3.2mm时,新型蜂窝密封比传统蜂窝密封的泄漏系数减少了7.1%;改变蜂窝芯格深度,新型蜂窝密封的封严特性优于传统蜂窝密封。特别是当转速增加时,新型蜂窝密封内的周向漩涡更稳定,能量耗散更强,泄漏系数更小,密封效果更好。     

单个固体颗粒促进薄液膜破裂的格子Boltzmann研究

采用等温格子Boltzmann方法两相流模型结合颗粒运动模型对单个颗粒与薄液膜之间的相互作用进行了研究。通过模拟直观展示了单个球形疏水颗粒导致液膜破裂的详细过程,模拟结果表明与薄液膜接触的球形疏水颗粒会导致液膜弯曲变形从而产生毛细力,毛细力会驱动液膜在颗粒表面移动从而导致液膜破裂。疏水颗粒的接触角对液膜破裂的时间有明显影响,模拟发现接触角为106.7°的疏水颗粒导致液膜破裂时间最短。此外,当液膜的厚度发生变化时,颗粒导致液膜破裂的时间也会不同。     

端面变形对液体动压型机械密封液膜瞬态特性的影响

建立动环-液膜-静环动压型机械密封双向流固耦合模型,针对逆流泵送状态,对密封环及液膜流场进行非定常耦合计算,分析了密封环变形和液膜压力的瞬态特性,并通过流固耦合前后流场对比,分析了密封环端面变形对液膜压力脉动的影响。研究结果表明：与未考虑变形时相比,双向流固耦合计算结果更加符合实际;静环端面变形随时间呈周期性变化,且越靠近内径出口处,变形量的波动程度越大;密封环端面变形对外径处压力脉动影响较小,但会明显增强内径处压力脉动,且转速越大,压力脉动增强的程度越大,介质压力在压力较低的工况下对变形后液膜压力脉动程度的影响不明显;密封环端面的变形只影响压力脉动的程度,不改变压力脉动的频率。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO₂/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

Inclination effects on wave characteristics in annular gas–liquid flows

Measurements of wave characteristics have been conducted in a 0.0762 m internal diameter (ID) pipe at inclinations of 0°, 10°, 20°, 45°, 60°, 75°, and 90° from horizontal. Wave celerity and frequency are very strongly dependent on modified Lockhart–Martinelli parameter, X*, and the inclination angle. Wave amplitude increases with increasing liquid film thickness at the bottom of the pipe. Wave amplitude depends on liquid film thickness for any pipe diameter, surface tension, and viscosity. Strouhal number (dimensionless wave frequency) decreases with increasing X*. Effect of pipe diameter, surface tension, and liquid viscosity on the liquid film Reynolds number, Re_LF, was studied. Re_LF variation with X* is not sensitive to the surface tension and less sensitive to the pipe diameter. However, Re_LF is very sensitive to the viscosity of the flowing liquid. Correlations for wave celerity, amplitude, frequency, and liquid film Reynolds number are proposed. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

柱面密封气膜动压效应模拟及试验

航空发动机柱面密封常因动压不足导致浮环碰磨而破裂。据此利用Fluent软件对现役柱面无槽气膜和螺旋槽气膜两种模型进行了流场动压数值模拟,并进行试验验证。研究结果表明:对于无槽气膜模型,增大偏心率、转速和压差,密封动压效应增强。偏心率和压差的增大会提高模型泄漏率,但转速的改变对模型泄漏率的影响很小;对于螺旋槽气膜密封,增大偏心率、转速和压差,气膜浮升力提升。随偏心率和压差的增大,模型泄漏率随之升高。综合以上两条结论可得,转速是影响泄漏率的次要因素;螺旋槽模型相对无槽模型,动压效果好,泄漏率小,相同工况下具有更好的动压效应,此研究对于研发更优的柱面密封结构有重要参考意义。     

端面锥形参数对锥-孔组合型机械密封性能的影响

给出新型锥-孔组合型端面密封,考虑液膜压场的变化规律与环受力变形的相互作用关系,构建机械密封3D流、固耦合数学模型,并给出相关的数值计算方法,获得了膜压分布规律及端面变形情况,分析锥面结构参数在各工况下对密封性能的影响规律。结果表明：由菱形孔所引起的动压效应可使端面产生周向和径向波状变形,而静压效应随锥度Ф和锥宽比γ的变化,在端面区域范围内所起作用也发生相应变化;对压强较低和低、中转速设备,应选取Ф=5~6或Ф=2~4的收敛锥面密封,且γ=0.8~1.0。对高压和高速设备,应选用Ф=2~3的收敛锥面密封,且γ=1.0或γ=0.2;通过改变锥面结构可有效改变机械密封的特性参数,实现密封运行中的自动调节,特别适合变工况条件。另外,由于锥面结构的变化所引起平衡系数B和膜厚h的变化,低速时可弥补动压效应较小的缺陷,获得较大开启力,也可在大h下工作,故可降低密封端面对平整度和光洁度的要求。     

低固含率下共振声分散特性数值模拟

研究共振声混合的流场和分散特性对于力热敏感超细材料的混合具有十分重要的意义。为模拟共振声混合的流场和分散特性,本文建立了基于CLSVOF-DPM的气液固三相流模型,并采用不同区域内颗粒数量的标准差评价混合均匀度。CLSVOF模型求解气液界面和分散流场,DPM模型追踪颗粒位置,通过连续相与颗粒之间的动量交换实现CLSVOF模型和DPM模型的双向耦合。计算结果表明,在加速度超过30g时流场中出现了湍流由液面附近向下扩散的现象;液体填充比和加料位置影响分散效率和分散质量;激振加速度为40g时达到混合均匀的时间最短。利用自制的共振声混合样机进行了实验,采用PIV系统记录了不同激振加速度下的流场矢量图,对实验和仿真的径向速度分布进行对比。实验结果证明了仿真计算结果的准确性。