基于CFD正交试验的螺旋槽干气密封性能仿真研究

基于CFD数值仿真结合单因素试验和正交试验,研究螺旋角、槽深、槽数、槽宽比和槽长坝长比对螺旋槽干气密封性能的影响。单因素试验揭示开启力和泄漏量随各参数的变化规律,并为正交试验因素水平合理选择提供依据。由正交试验得到分别以开启力、气膜刚度和刚漏比为目标函数的最优端面结构。由极差分析得到各结构参数对密封性能影响的主次顺序,槽长坝长比是影响开启力和泄漏量的最主要因素,而气膜刚度和刚漏比主要由槽深和螺旋角决定。     

基于CFD正交试验的螺旋槽干气密封性能仿真研究

基于CFD数值仿真结合单因素试验和正交试验,研究螺旋角、槽深、槽数、槽宽比和槽长坝长比对螺旋槽干气密封性能的影响。单因素试验揭示开启力和泄漏量随各参数的变化规律,并为正交试验因素水平合理选择提供依据。由正交试验得到分别以开启力、气膜刚度和刚漏比为目标函数的最优端面结构。由极差分析得到各结构参数对密封性能影响的主次顺序,槽长坝长比是影响开启力和泄漏量的最主要因素,而气膜刚度和刚漏比主要由槽深和螺旋角决定。     

仿生集束螺旋槽干式气体密封特性的数值分析

基于耦合仿生学原理,提出一种仿生集束螺旋槽端面干气密封结构以解决普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题。基于气体润滑理论,建立仿生集束螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值模拟分析槽宽比、螺旋角、微槽数及阶梯槽深比对动压开启力增长率、轴向气膜刚度、角向气膜刚度和刚漏比等密封特性参数的影响规律,给出仿生集束螺旋槽主要结构参数的优选值范围。结果表明:在高速低压条件下,相比于普通单向螺旋槽干气密封,仿生集束螺旋槽干气密封的密封性和稳定性等密封性能都有显著改善,其动压开启力增长率、轴向气膜刚度和刚漏比的增幅均超过20%。结果证明基于飞鸟翼翅的端面型槽仿生设计可以显著改善普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下的运行稳定性,为相关工程选型与开发设计提供参考。     

新型流线槽流体动压型机械密封性能*

以核主泵用新型流线槽流体动压机械密封为研究对象,建立密封间隙内液体膜的压力控制方程,应用有限差分法求解,分析特定工况下流线槽的结构参数对密封性能的影响。结果表明：泄漏量和刚度对密封间隙的变化最为敏感,间隙增大时,泄漏量迅速增加同时刚度急剧下降;刚度随槽深、槽长比、堰宽比增大而先增后减,并在一定区域获得峰值。流线槽槽数为12、槽深为2 μm、密封端面间隙为1 μm、槽长比为0.6、堰宽比为0.6时,液体膜具有较大的开启力、刚度和刚漏比,密封端面产生的流体动压效应显著,密封工作性能达到较佳状态。     

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。     

螺旋槽柱面气模密封槽型参数优化设计

为了得到性能较好的气模密封槽型参数,提出了一种柱面气模密封槽型参数的优化设计方法,以衡量柱面气模密封性能的最主要的两个参数气模刚度和泄漏量的比值为目标函数,采用坐标轮换法和区间递减法相结合,对螺旋角和槽数、槽深、槽台宽比、槽长坝长比进行了优化,优化后的性能明显得到提高。     

螺旋槽型机械密封端面槽型几何参数优化研究

应用fluent软件对螺旋槽型机械密封润滑液膜特性进行了数值模拟,得到了润滑液膜流场的压力分布、泄漏量、液膜开启力;通过比较不同螺旋槽几何参数的密封特性,得到了较优的螺旋槽型几何参数值：槽数12、螺旋角0.3 rad、槽长比0.7、槽宽比0.7、槽深10μm。     

不等深螺旋槽干气密封性能的研究

为进一步提高螺旋槽干气密封的密封性能,对螺旋槽的结构做创新性的优化,保持坝区和堰区不变,只改变螺旋槽底部形态,将等深螺旋槽改进成收敛型不等深螺旋槽。通过建立有限元模型,用Matlab软件编程求解出气膜压力分布,对比分析等深槽、收敛型阶梯不等深槽、收敛型锥度不等深槽、发散型阶梯不等深槽和发散型锥面不等深槽5种槽型的密封性能参数。对比分析收敛型阶梯不等深槽不同锥度下的密封参数。结果表明,收敛型阶梯不等深螺旋槽与收敛型锥度不等深螺旋槽具有十分相似的密封性能,但收敛型阶梯不等深螺旋槽具有更好的泄漏量稳定性,且更易加工;0.04°收敛型阶梯不等深螺旋槽干气密封的密封性能最优越,控制泄漏量方面更为突出,并可获得较好的推开效果。     

基于Elrod空化算法的Y形槽液膜密封性能分析

基于质量守恒边界条件建立Y形槽液膜密封性能分析数学模型,采用有限差分法对广义Reynolds方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到液膜承载能力、液膜刚度、摩擦扭矩以及泄漏量等性能参数,并探讨Y形槽液膜密封结构参数对密封性能的影响。结果表明:槽数、周向槽台比和径向槽宽比等结构参数对密封性能有显著影响,液膜承载能力和液膜刚度随着这些结构参数的增大均呈现先增大后减小的趋势,摩擦扭矩随着这些结构参数的增大而增大;泄漏量随着槽数的增加先增大后趋于平稳,随着周向槽台比的增大先增大后减小,随着径向槽宽比的增大而减小;在文中计算条件下,槽数取12~14,槽深取30~35μm,螺旋角取12°~16°,周向槽台比取0.7~1.1,径向槽宽比取0.8~1.0时,Y形槽液膜密封具有较好的稳定性和密封性能。     

基于Fluent的上游泵送机械密封性能正交试验研究

提出一种斜线槽上游泵送机械密封,运用正交试验法设计上游泵送机械密封试验方案,基于Fluent软件进行数值模拟试验,分析各个试验参数对密封端面开启力和泄漏量的影响。结果表明:在试验参数的取值范围内,对开启力有显著影响的因素是槽数、径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和压差,具体表现为开启力随着径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;对泄漏量有显著影响的因素是槽深、槽宽比、液膜厚度、转速和压差,具体表现为泄漏量槽宽比、液膜厚度、转速和进出口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,提出初步优化的密封端面结构参数。     

新型双螺旋槽端面密封主要结构参数对密封性能的影响

针对一种用于高速高压、超低温等极端工况下的新型双螺旋槽端面密封装置,在等密封闭合力的假设下,对动环槽形几何结构参数,如槽深、槽数、槽台宽度比及螺旋角对密封性能(密封间隙、泄漏量及液膜刚度)的影响进行了理论研究。综合考虑较小密封泄漏量和较大的液膜刚度,计算结果表明取较小的槽深(考虑实际工作过程中启停过程带来的磨损,不宜小于15μm),槽数10~15个,槽台宽比0.25~1.0,螺旋角α≤20°较适宜。     

单列双向螺旋槽干气密封主要结构参数对性能的影响

针对一种用于高速高压等极端工况下的新型单列双向螺旋槽端面密封装置,采用商业CFD分析软件FLUENT,在等密封闭合力的假设条件下,研究了动环槽形几何结构参数,如螺旋角φ、槽深膜厚比Hg及槽长坝长比γ等对密封性能(泄漏量及气膜刚度)的影响.综合考虑了较小密封泄漏量和较大的气膜刚度,计算结果表明结构参数18°＜φ＜19°,4＜Hg＜7, 0.5<γ<0.7较适宜.     

低压螺旋槽上游泵送气体端面密封零泄漏特性

采用有限差分方法,基于对螺旋槽端面气膜压力分布、流速分布和泄漏率变化的数值计算分析,探讨低压上游泵送螺旋槽气体端面密封实现被密封介质零泄漏的作用机制和变化规律。结果表明,螺旋槽上游泵送作用可在高压侧形成周向封闭的高于密封压力的高压流体环带,阻止被密封介质进入密封间隙,实现被密封高压介质的零泄漏,形成密封介质的完全的反向泄漏;泄漏率随转速、槽数和膜厚的增加先减小后增大,随槽深、螺旋角和槽台宽比的增加先增大后减小,随槽根半径增加而减小;当转速、膜厚和槽数达到一定值时,泄漏方向会发生改变;开启力随转速和槽数增加而增大,随着膜厚的增大而减小,随槽深、螺旋角、槽台宽比和槽根半径的增加呈先增大后减小的趋势。     

槽区分布对T形槽液膜密封性能的影响

为研究槽区分布对密封性能的影响,以发散型T形槽液膜密封为研究对象,通过改变槽形区域位置,使其分布在动环外侧、中部及内侧,形成外槽形、中槽形和内槽形3种结构;建立其相应模型,对其液膜流场进行数值计算,讨论工况参数和槽形几何参数对3种槽形结构密封性能的影响。结果表明：槽区分布对密封性能有重大影响,同一条件下,外槽形拥有较强的流体动压特性和流体泵出效应,从而具有较大的开启力和较低的泄漏量,在3种槽形中密封性能最好;工况参数和槽形几何参数对3种槽形的开启力和泄漏量有较大影响,当膜厚取2～5μm,槽深取5～9μm,槽数取10～14个,发散角取32°～40°,可获得较好的密封性能。     

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%。     

不同引流槽对T型槽干式密封性能影响的对比

该文采用有限差分法求解气体流动的雷诺方程,建立引流槽为收敛型、直口型和发散型三种不同形式的T型槽干式密封(CTDGS、ST-DGS和DT-DGS)的数学模型。研究转速和压力变化对三种T型槽密封性能的影响规律。为了确保密封性能的可对比性,使三种T型槽的引流槽弧长、槽深、槽数和动压槽相同。结果表明:在中低压工况下,DT-DGS、ST-DGS相比于CT-DGS具有较好的动压效应,且DT-DGS的开启力最好。在此工况下,引流槽选用发散型、直口型或近直口型的收敛结构具有较好的开启力。在高压工况下,CT-DGS的泄漏量和轴向气膜刚度要优于DT-DGS、ST-DGS。在该工况下,选用结构为收敛型的引流槽可获得较小的泄漏量和较大的轴向气膜刚度。     

螺旋槽动压密封液膜汽化相变性能优化分析

针对螺旋槽动压密封液膜发生汽化相变后,严重影响密封运行的可靠性和稳定性的问题,基于密封端面液膜汽化相变,建立了其数值计算模型。采用了以泄漏量和开启力两个密封性能参数为优化目标,螺旋角、槽数、槽深、槽坝比和槽堰比5个密封端面结构参数为变量的五因素、五水平的正交优化试验方案;研究了密封端面液膜汽化相变下,不同密封端面结构参数对密封性能的影响规律。研究结果表明:密封结构参数对泄漏量和开启力的影响灵敏度不同,设计的正交试验方案可以有效地对密封性能进行优化,可为此类工况下的密封装置的结构优化设计和实际操作提供参考。     

组合螺旋型槽干气密封密封性能的CFD仿真

设计一种由2个螺旋槽组合构成新型螺旋型槽干气密封结构,该组合螺旋型槽由沿外圈开设的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部开设的小螺旋槽组合而成。运用流体仿真软件Fluent对组合螺旋型槽干气密封的密封性能进行数值模拟,并与螺旋型槽干气密封进行比较。通过正交试验法对组合螺旋型槽干气密封的结构参数进行优化分析,获得了以开启力、泄漏量、扭矩为目标函数的组合螺旋型最优端面结构。结果表明,组合螺旋型槽干气密封在同等结构参数下的密封性能优于螺旋型槽干气密封,且压力、槽台宽比和槽深越大,组合螺旋型槽在减少泄漏量方面的优势更加明显;对于组合螺旋型槽干气密封,泄漏量、开启力、扭矩最优对应的端面结构参数组合不同,在干气密封设计时,应根据设计目标需要,选择合适的端面结构参数组合。     

新型动静压混合润滑机械密封结构参数优化

以流体膜为研究对象,建立了新型动静压混合润滑密封端面的三维模型,并利用流体力学软件FLUENT对端面流场进行数值模拟,得出主要结构参数(动压槽深度、静压槽深度、动压槽宽比、静压槽宽比)对端面开启力、两侧泄漏量等密封性能的影响规律。通过分析得出各结构参数的大致范围,从而对新型动静压混合润滑机械密封结构进行了优化。     

仿树形槽干气密封稳态性能分析*

针对经典螺旋槽干气密封在反向旋转时动压效果较差,易遭受磨损、失稳等问题,提出一种新型双向旋转式仿树形槽。首先应用SolidWorks软件建立气膜三维模型,然后应用ICEM软件进行网格划分,最后在Fluent软件里对流场进行仿真模拟,将不同膜厚、槽深、转速等参数下开启力、泄漏率的计算结果与螺旋槽进行对比。结果表明：仿树形槽相较螺旋槽可产生明显的动压效应,且开启力较大,但其泄漏率较高,其中仿树形槽膜厚取2 μm,槽深取5~7 μm时,密封性能较好;膜厚和槽深对密封性能有较大的影响,干气密封开启力随膜厚增大而减小,随槽深的增大而增大;压力和转速增大2种槽型开启力都随之增大,但相比螺旋槽,仿树形槽密封性能受转速影响更小,且具有更好的开启效果。仿树形槽在实现双向旋转的同时也具有较好的密封性能,为双向旋转式干气密封槽型的设计提供一定的参考。