螺旋槽干气密封端面气膜压力计算方法讨论

Gabriel所著的<螺旋槽非接触端面密封基本原理>一文中所提出的端面气膜压力的控制方程,是源于经Muijderman完善的螺旋槽窄槽理论.对该文中气膜压力的计算方法进行分析讨论,对其算例进行复算,并与发表的有限元分析结果进行对比,发现其螺旋槽区域的气膜压力控制方程存在错误.在该文中,至少一组数据是根据其错误的方程计算而得.     

螺旋槽干气密封数值模拟网格独立性分析

对干气密封性能进行数值模拟时,计算网格的独立性非常重要。以螺旋槽干气密封为例,研究网格层数对干气密封数值模拟结果的影响。选择相同面密度的网格,在保证其正交质量的前提下,以端面开启力和气体质量泄漏率的相对变化率作为网格独立性检验的参考量,分别通过增加螺旋槽内膜厚和非槽区膜厚网格层数,考察网格层数对螺旋槽干气密封数值模拟结果的影响。结果表明:槽深为5~9μm,非槽区膜厚为1~6μm时,非槽区膜厚网格层数对数值模拟结果的影响明显大于槽内膜厚层数;螺旋槽内膜厚网格为每微米1层,对应非槽区膜厚网格层数分别为7、8和10时,开启力和气体质量泄漏率的相对变化率均分别低于2%、1%和0.5%。     

基于Fluent的螺旋槽干气密封数值模拟与分析

笔者从计算流体力学出发,使用GAMBIT对模型进行网格划分,用世界著名的CFD软件Fluent对螺旋槽干气密封进行了数值模拟分析,并与权威的试验值进行比较,验证了所用方法在螺旋槽干气密封研究中应用的可行性和可信性。     

螺旋槽气膜密封微间隙流场的三维数值模拟

根据端面、柱面气膜密封的结构特点,建立端面螺旋槽与柱面螺旋槽气膜密封三维数值分析模型,基于有限体积法利用Fluent软件对端面、柱面气膜密封三维流场特性进行数值模拟研究.与试验结果和相关文献的算例比较验证了该三维数值模拟方法的正确性,为进一步进行密封界面表面状态模拟分析及气膜密封的设计应用提供了理论基础.     

螺旋槽干气密封气膜特性的近似计算及试验研究

从N-S方程出发,推导螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程。应用PH线性化方法,并采用小参数迭代法进行求解,近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解,继而求出泄漏量以及功耗。结果表明:试验测出数值与计算结果较为吻合,表明所建立的螺旋槽干气密封端面间气体流动过程力学和数学模型是正确的,所编制的近似计算程序是可行的。     

轴向微扰下干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定性分析

推导了干气密封螺旋槽内瞬态微尺度流动场的非线性雷诺方程,应用PH线性化方法及变分运算,得到了轴向微扰下气膜反作用力的增量,继而利用复数转换和迭代法对静态下气膜边值问题进行求解,获得了气膜轴向刚度的近似解析解,并通过动态稳定性分析,获得了稳定性最佳的螺旋槽几何参数值。     

单双列螺旋槽干气密封端面气膜刚度比较

双列螺旋槽干气密封通常被认为具有比单列螺旋槽干气密封更高的气膜刚度,因而更有利于干气密封的稳定运行,但是尚未见具体的理论分析或实验数据来验证这一结论。针对某一双列螺旋槽干气密封,采用窄槽理论,利用Mathcad 软件计算得到端面气膜压力分布和开启力,并得到开启力与膜厚的拟合曲线,以及气膜刚度与膜厚的函数曲线,并与单列螺旋槽进行对比。计算结果证实了双列螺旋槽干气密封具有比单列螺旋槽更高的气膜刚度,尤其是在开启力较小,气膜厚度较大的情况下,其主要原因是双列螺旋槽干气密封在同一开启力下,具有较小的平衡气膜厚度,即气膜的高刚度大部分是依靠减小的气膜厚度获得。双列螺旋槽干气密封端面开启力稍小,泄漏率稍大。     

螺旋槽干气密封对流传热系数研究

采用数值模拟和经验公式对一典型螺旋槽干气密封的对流传热系数进行计算,考虑气膜轴向厚度、转速和密封腔气体入口速度3个影响因素,比较和分析计算结果。结果表明:2种方法的对流传热系数量级相同,但数值结果比经验公式结果更加详细。气膜轴向厚度和转速均对动环润湿面对流传热系数的影响较大,对静环润湿面对流传热系数的影响非常小。密封腔气体入口速度增大,静环润湿面对流传热系数增大,而动环润湿面对流传热系数减小。     

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。     

螺旋槽泵出型干气密封端面气膜压力近似解析计算

大多数螺旋槽干气密封采用高压密封气体在密封环外侧的泵入式结构。近来,出现了高压气体在密封环内侧的泵出型螺旋槽干气密封,而这类密封常用来密封液体介质。采用Mu ijderman完善的螺旋槽窄槽理论,给出泵出型螺旋槽干气密封端面气膜力的一种近似解析计算方法,给出计算案例,并与泵入型结构进行对比。计算结果表明,同样条件下,泵出型干气密封的端面开启力小于泵入型。     

非接触动密封螺旋槽气膜刚度数值模拟与分析

利用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面五种不同气膜厚度进行三维立体模型建模,采用FLUENT前处理功能对其进行网格划分。在特定工况下,利用Fluent流场计算软件对五种端面微尺度流场模型进行数值计算,求出压力沿径向分布和气膜厚度对应的开启力,基于最小二乘法原理基础上,求出开启力与厚度的五次多项式,在对多项式关于气膜厚度求导,得出气膜刚度与气膜厚度的四次多项式。结果表明:气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小,且随着气膜厚度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳,为了使干气密封长期安全、稳定的工作,端面气膜应有足够大的刚度。     

螺旋槽干气密封的热量平衡膜厚研究

干气密封在运转过程中,端面气膜因黏性剪切会产生一定的热量,气体从密封进口到出口因膨胀会吸收一定的热量。定量计算剪切热量和膨胀热量及研究其平衡关系, 对干气密封的设计和操作非常重要。针对空气润滑的螺旋槽干气密封,基于间隙等体积的思想,利用当量间隙来等效密封槽台区的槽区和台区间隙,以及利用考虑绝热指数的端面气膜压力控制方程,分别获得剪切热量和膨胀热量的计算式;利用最小二乘拟合法分别获得剪切热量和膨胀热量随气膜厚度变化的表达式,并求得热量平衡膜厚。分别研究转速、槽深、槽宽坝宽比和热量传递系数对热量平衡膜厚的影响规律。结果表明,热量平衡膜厚随转速、热量传递系数的增加而逐渐增加;随槽深、槽宽坝宽比的增加而逐渐减小。     

螺旋槽气膜浮环密封结构参数设计分析

介绍了螺旋槽气膜浮环密封的结构特点,利用CFD-FLUENT软件分析比较了普通浮环、无坝区螺旋槽浮环和有坝区螺旋槽浮环3种结构的密封性能,建立了螺旋槽几何结构参数变化对浮升力、泄漏量等影响的规律曲线。计算结果表明:有坝区螺旋槽浮环结构密封性能最好;螺旋槽结构参数对密封特性影响较大,综合考虑较小的泄漏量和较大的浮升力,取较小的螺旋角,槽数26~30,槽长7~9mm,槽深25μm左右,槽宽比0.5较适宜。     

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。     

压缩机用螺旋槽干气密封技术

探讨了螺旋槽干气密封技术,详细分析了螺旋槽干气密封技术的结构、特点及工作原理,探讨了密封参数,并举例分析了干气密封系统.     

螺旋槽干气密封在氨气压缩机上的应用

对螺旋槽干气密封特性进行了有限元分析,得到了螺旋线槽气体密封端面间隙内气膜的压力分布,并对四川化工厂的氨气压缩机机械密封进行改造,采用了双向串联式干气密封结构,试验及现场应用结果表明,螺旋槽干气密封性能可靠,确保了机组长期平稳运行,取得了良好经济效益.     

水蒸气润滑螺旋槽干气密封性能分析

水蒸气润滑干气密封是一类特殊的干气密封,端面的润滑气体为水蒸气。为了研究水蒸气润滑干气密封的性能,采用无限窄槽理论,并采用RK方程来表达水蒸气的实际气体的行为。对螺旋槽的气膜压力控制方程进行了修正,分析水蒸气润滑干气密封的开启力、气膜刚度、泄漏率、气膜摩擦力矩和热平衡气膜厚度。结果表明:低压时,泄漏率随膜厚增加先减小再增加,中高压时,泄漏率随膜厚增加而增加,实际气体行为对泄漏率的影响较大;摩擦力矩随膜厚增加而减小,实际气体行为对摩擦力矩无影响;当温度为300℃,压力为0.5 MPa时,在常见的工作膜厚范围内,剪切发热速率始终大于膨胀吸热速率,不能获得热量平衡膜厚,压力为2和5 MPa时,实际气体的热量平衡膜厚均小于理想气体,两者相差分别为0.886%和2.932%。     

Enhancing Film Stiffness of Spiral Groove Dry Gas Seal via Shape Modification at Low Speed: Numerical Results and Experiment

Abstract

The film stiffness of dry gas seal must be sufficient to keep gas film stable at high and low speed. A generalized geometric model based on triangles is proposed to characterize spiral grooves. A mathematical model is established and solved using the finite-difference method to obtain steady performance. The optimum spiral grooves for maximum opening force and film stiffness are obtained at low speed, and their steady performance is compared with conventional spiral grooves numerically and experimentally. The pressure and flow field of optimum spiral grooves and conventional spiral grooves are simulated to reveal the mechanism of the performance difference. Results show that through-combined spiral grooves outperform the other derived spiral grooves. Their film stiffness is up to 15% larger than that of conventional spiral grooves at low speed.