外圆弧槽密封环热-结构耦合变形分析及参数优化

以外圆弧槽机械密封为研究对象,针对工况参数、密封环端面槽区的尺寸参数对密封环端面温度、变形的耦合影响,建立三维热-结构分析模型,分析密封环在热-力耦合作用下,工况参数、端面槽区的尺寸参数对密封环端面温度、变形的影响,并以端面温度、等效应力最小为准则,利用多目标驱动优化得到优化的槽区尺寸参数。结果表明:在密封面上开槽后,起到局部冷却作用,使端面温度沿径向非线性分布,其中在2个端面槽区中间最大,在槽区和密封端面靠外径边缘温度较低;端面上2个槽区的中间靠外径侧变形最大,轴向变形靠近内径最大。     

高温蒸汽风机用机械密封的研制

风机输送介质为高温蒸汽,主机内高温通过热传导导入密封环的热量、密封运转过程中产生的摩擦热和搅拌热综合引起密封端面温度升高,避免密封端面出现闪蒸现象,采用水作为冲洗液进行冲洗以控制密封环温度分布。在力和热的作用下,密封环产生变形,对密封环端面受力和热引起的变形进行计算预估,减少密封泄漏量,延长密封使用寿命。通过理论分析与试验验证相结合的方法,设计出适用于该风机的集装式、双端面、平衡型结构机械密封,完全满足现场使用要求。     

热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响

针对核主泵用流体静压型机械密封在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,通过建立收敛台阶端面流体静压型机械密封的稳态传热模型,并考虑流体粘度随压力、温度的变化,建立端面流体膜压力和密封环温度的控制方程,采用有限差分法求解各控制方程,采用有限元法求解密封环热、弹变形,对密封进行流、固、热耦合分析,研究热弹变形对密封性能的影响;同时改变操作参数,研究端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等随之产生的变化规律.结果表明,端面的弹性变形大于热变形;热弹变形的综合影响使端面由外径向内径形成收敛间隙,导致开启力、泄漏率和液膜刚度增加;动环角速度越高,流体温升越大,端面热变形越明显,泄漏率越大;流体注入温度越低,温粘效应越显著;流体注入压力越高,热弹变形量越大,密封端面平衡间隙亦越大.     

船舶艉轴机械密封温度场与热变形分析

船舶艉轴机械密封在运转时,密封环端面温度的分布及热变形对密封的泄漏有重要的影响.为了提高机械密封的密封性,采用有限元分析方法,运用整体法和分离法对机械密封的动、静环的温度场、热变形进行分析,研究在不同主轴转速下端面温度的变化情况.分析表明:机械密封端面的最高温度出现在接触区域的中间,并向内、外两侧递减;端面摩擦热与主轴...     

机械密封的端面温度

一、序言机械密封属接触式端面密封,不仅摩擦副端面因摩擦生热,而且旋转元件因摩擦也会生热;使端面温度升高。密封环端面温度过高会导致密封工作不正常,例如:端面间液膜汽化造成液膜失稳;密封面热裂或热变形造成热弹失稳;温度升高促使磨损和腐蚀加剧。因此,为了保证机械密封正常运转,必须控制其端面温度使之处于正常工作范围内。这样首先就要确定机械密封的端面温度。现有的端面温度计算方法有精确计算的分析法、有限元法、数值方法和热电模拟法,还有平均温度的简单计算方法等。     

深海机械密封端面摩擦及变形特性研究

以深海推进器等水下设备用机械密封为研究对象,建立机械密封环模型,考虑深海变工况下接触端面摩擦因数的差异性,采用分离法分别对机械密封动、静环端面进行热-力耦合变形分析,并对分别考虑密封环热变形、力变形、热-力耦合变形的分析结果进行比较。结果表明:接触端面摩擦因数大小与介质压力、转速、液膜厚度等因素有关,端面摩擦因数随介质压力增大而减小,随转速增大而增大,随液膜厚度增大而减小;单一力变形、热变形分析与热-力耦合变形分析结果差别较大,热-力耦合分析结果要比单一变形分析更接近实际、分析更准确;瞬态工况下,端面温度及端面接触应力峰值均出现由外向内的变化趋势,端面接触状态受端面温度分布影响明显。     

机械密封热变形研究进展

机械密封是旋转机械中常用的一种轴密封,受力情况复杂,工作条件非常恶劣,介质压力和弹簧力的作用使得密封端面产生机械变形,端面容易呈现局部接触,当机械密封动环以高速旋转时,端面间的接触摩擦和端面对液膜的粘切作用而产生热,引起密封端面温升和热变形.端面热变形是密封失效的主要原因之一.从密封环温度场、变形、耦合变形、优化等方面综合评述了机械密封热变形的研究现状,分析存在的问题,最后指出进一步的研究方向.     

镶装式硬质合金密封环的压力变形研究

应用有限元分析研究了镶装式硬质合金密封环的密封压力变形情况。研究结果表明,镶装结构使密封环产生了较大的力变形,密封压力使密封端面产生了较小的负锥度变形。镶装式结构能显著减小密封端面的密封压力变形,提高机械密封的可靠性。     

核电泵用机械密封摩擦有限元分析

以不同工况下的机械密封环为研究对象,依据接触表面的温度,对各种工况时密封端面的接触状况及温度变化趋势进行了分析。结果表明:在极端工况下,机械密封环温度远低于相应材料的允许使用上限;在正常工况下,密封环由于摩擦生热引起的温升较小,由密封介质传导入密封环的热量引起的温升较大。机械密封在不同介质温度和不同密封压力下均可保证较好的运行性能。在极端工况下,密封动静环等效M ises应力均在较低的水平,不会导致密封环的失效破坏。由于密封压力作用引起的密封端面变形,密封端面液膜厚度沿压降方向呈发散分布;在端面外径处动静环将会产生局部接触磨损,密封介质温度对端面液膜厚度影响较小。     

渣浆泵双端面机械密封密封环热力耦合分析

针对磷酸厂渣浆泵机械密封因端面变形而导致的使用寿命缩短问题,以渣浆泵背对背型双端面机械密封密封环为研究对象,采用整体法,根据实际工况建立密封环热力耦合三维计算模型,研究密封环温度场分布及端面变形情况,分析不同工况下密封环热力变形对机械密封正常工作的影响.结果表明:密封环最高温度出现在静环内侧,且温度沿径向朝静环外侧逐渐...     

斜直深槽机械密封环端面变形研究

深槽密封是通过力变形和热变形在密封面形成周向的波度和径向的锥度,从而产生热流体动力楔效应。通过热平衡分析和模型简化,应用有限元软件建立斜直深槽机械密封有限元分析模型,并对密封环温度场、力热变形进行求解,获得斜直深槽密封环的温度分布规律以及热变形规律。分析结果表明:斜直深槽密封端面结构产生的变形,能够形成周向波度和径向锥度,能够产生一定的流体动压效应,但规则波形的产生同流体槽的结构参数有关,需针对具体的工况参数进行相应的优化设计,方能达到所需要的流体动压效果。     

油泵用机械密封摩擦副界面热-结构耦合分析

以热-结构耦合数值计算理论为基础,同时施加温度和力载荷边界条件,对处于高速、高压等高参数极端工况热油泵用波纹管机械密封装置摩擦副界面进行了热-结构耦合数值建模与计算分析。研究了密封环摩擦副界面的温度场特点及温度、热应力分布规律,分析了密封环在温度载荷和力载荷耦合作用下密封环的变形情况。结果表明:最高温度产生在摩擦副内径处,最大热变形在摩擦副外径处;动静环配对材料的导热系数越大,产生的最高温度就越小;在摩擦副的外径侧产生的变形有利于形成收敛型间隙。     

热力变形下渣浆泵机械密封干摩擦磨损分析

机械密封在起停阶段或操作失误时常处于干摩擦状态,由此导致的热损伤与磨损将影响其密封性能。以某YWN8合金接触式机械密封为研究对象,建立基于硬度及磨损系数的磨损数值模型,试验测定摩擦副密封环的硬度、磨损系数、干摩擦因数,验证磨损数值模型的准确性;对机械密封磨损进行仿真模拟,研究摩擦副密封环在干摩擦运转时单力场及热力变形下的磨损深度,并用磨损理论值进行验证。结果表明：干摩擦运转时密封环端面温升较低,温度不是其失效的主要原因;热力变形后密封环内外径间隙增大,造成端面粗糙峰接触面积减小,黏着磨损较变形前呈下降趋势,导致多物理场下的磨损深度与理论值不符。     

双向连通槽热流固耦合热变形研究

针对传统的螺旋槽型不能满足旋转设备反向运转的密封要求的问题,根据双向槽型机械密封结构特点,提出一种双向连通槽型,通过建立热流固耦合模型,确立传热边界条件,采用ANSYS Workbench对几何模型进行单向耦合计算,讨论密封环在转速、压力作用下热变形规律.结果表明:双向连通槽泄漏量整体比螺旋槽型泄漏量小,且双向连通槽由...     

高温热油泵机械密封的热特性数值分析

针对高温热油泵机械密封的失效问题,研究其在不同工况和结构参数下的热特性。通过ANSYS建立由机械密封动环、静环和静环座组成的三维热-结构耦合模型,并使用MATLAB计算端面热流密度插值函数;采用UDF函数对插值函数进行加载,求出每一个单元的热流密度,进而分析高温热油泵机械密封在不同转速、材料和相关结构参数下的传热特性和端面温升。分析结果表明：高温热油泵机械密封运转过程中,接触端面处温度最高;端面热量主要是通过动环传导出去,改变O形圈的支撑位置可以优化端面温升;随着端面宽度的增加及载荷系数的增大,端面温升均增大;机械密封在稳态运转的情况下,端面不会发生相变。     

超临界二氧化碳干气密封热-流-固耦合建模与变形特性分析

为研究超临界二氧化碳干气密封密封环的变形分布,揭示工况条件对密封环变形的影响规律,在考虑CO₂真实气体效应的同时,建立考虑密封环对流换热的热-流-固耦合计算模型,借助CFD和CSM计算机仿真技术,研究超临界二氧化碳干气密封动、静环在多重载荷共同作用下的变形规律。研究结果表明:密封环轴向最大热-流-固变形出现在耦合面,热变形和力变形方向相反,其中热变形起主导作用;转速增大,密封环最大轴向热变形和力变形增大,动环最大轴向热-流-固耦合变形减小;介质压力增大,动环和静环最大轴向力变形分别增大66.25%和6.18%,最大轴向热变形和热-流-固耦合变形均减小;进口温度上升,动环和静环最大轴向热变形分别增大40.79%和34.90%,最大轴向力变形基本不发生改变。     

基于ANSYS的高压机械密封温度场理论研究

根据热平衡方程推导出高压机械密封中的温升计算公式,并建立了机械密封件温度场的有限元模型,利用ANSYS分析软件求解密封环内部各节点的温度。根据温度场分布图,对影响密封环热影响的主要因素进行了讨论。结果表明:密封端面温度最高且靠近内径方向,应通过改善散热和加强冷却防止因摩擦热使正常压力下的液膜流体达到沸点并汽化;密封介质压力、密封端面的平均直径和转速的增加都会使摩擦热增加,从而使密封端面温度升高;不同密封介质的摩擦因数和传热系数会造成不同的温升;导热率越高扩散热量也就越多,选择导热率高的密封材料能有效地降低密封环温度。     

考虑粗糙度效应的微孔化机械密封摩擦副接触特性分析

针对机械密封装置在启停阶段或某些特定工况下出现高温以及摩擦磨损严重等问题，探究考虑粗糙度效应的微孔化机械密封端面接触压力及温升的变化规律，以揭示机械密封端面的真实接触状态。基于分形理论建立机械密封静环粗糙表面和动环微孔接触模型，采用数值计算方法，研究微孔对机械密封端面接触压力和温升的影响，以及表面粗糙度对机械密封端面接触面积、接触压力、温升的影响。结果表明：微凸体经过微孔时，微凸体嵌入微孔边缘使得接触压力峰值增大，导致切削发生；摩擦过程中，压力最高点位置因为微凸体的弹塑性变形而不固定，改善了微凸体的受力情况；微孔降低了密封端面的接触面积，从而使得微凸体的接触减少、压力极值点减少，降低了密封端面摩擦副的温度，改善了密封端面的磨损状况；表面粗糙度越小，接触面积越大，接触压力、端面温度更加均匀，表面粗糙度越大，端面磨损风险更加严重。