考虑粗糙渗流效应的指尖密封总泄漏性能分析

指尖密封作为近年来一种新型密封技术,其泄漏性能一直是密封领域的研究热点。将流体通过指尖片表面粗糙接触界面微观空隙的泄漏视为指尖密封的侧隙泄漏,基于压力流量因子和哈根-泊肃叶定律构建了指尖密封侧隙多孔介质结构渗透率的计算方法,进而建立了基于多孔介质结构的指尖密封侧隙泄漏性能分析数值模型;然后计入指尖密封侧隙泄漏的影响,构建了考虑指尖密封侧隙泄漏和主流道泄漏的指尖密封总泄漏分析方法;最后在此基础上分析了指尖片表面形貌参数、指尖密封工况参数对指尖密封侧隙泄漏、主流道泄漏和总泄漏的影响,研究了指尖密封侧隙泄漏和主泄漏的权重比例。结果表明:指尖密封侧隙泄漏随着指尖片表面均方根粗糙度、指尖密封上下游压差的增加而增加;当指尖片表面纹理从横向纹理向纵向纹理变化时,指尖密封侧隙泄漏亦逐渐增加;当指尖片表面均方根粗糙度较大时,指尖密封侧隙泄漏在指尖密封总泄漏中占主要地位,当转子径向位移激励较大时,指尖密封主流道泄漏占主要地位。该研究有助于完善指尖密封泄漏分析理论体系,具有较高的学术价值和工程意义。     

周向收敛与人字槽组合型指尖密封结构与性能分析

针对流体动压型指尖密封结构和工作特点,建立了具有周向收敛靴和轴上人字槽组合结构特征的指尖密封(简称组合型指尖密封)结构形式,采用流固耦合数值分析方法,分析了不同结构和工况条件下组合型指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征,详细讨论了密封各结构参数变化对组合型指尖密封性能的影响。结果表明:在通常工况范围内,压力流对组合型指尖密封性能的影响占主导地位;楔形气膜膜厚比、楔形气膜径向最小厚度对组合型密封泄漏率影响最大;人字槽偏离高压片的距离、槽纵向间距和槽宽对组合型指尖密封的性能影响较为明显。与现有人字槽型指尖密封和周向收敛型指尖密封的性能相比,组合型指尖密封气膜承载力明显高于人字槽型指尖密封;其泄漏率与周向收敛型指尖密封相当而气膜承载力较大,具有较好的综合性能优势。     

柔片式密封变形分析及密封性能研究

针对柔片式密封系统中柔片变形对密封性能的影响,建立密封区域的流体动力学模型以及基于弹性柔片小挠度弯曲变形的微分方程,并进行ANSYS单向耦合仿真计算,分析不同工况和结构参数对柔片变形和密封性能的影响。结果表明:柔片变形和密封泄漏量随密封压差的增大呈增长趋势;密封压差、柔片尺寸以及背板-柔片间隙对柔片变形和密封泄漏量影响较大;增加背板-转子/柔片间距会使得柔片变形相对初始安装位置呈逐渐上浮趋势,密封泄漏量随之增加。     

高线速度石墨密封多物理场耦合特性

高线速度运行的石墨密封常伴随着高热量的摩擦磨损,为了满足航空发动机轴承腔高线速度和低压差工况的密封需求,基于四瓣式石墨密封,建立多物理场耦合分析模型,并通过实验结果比对验证计算模型的准确性;通过多物理场耦合分析,研究高线速度和低压差工况下石墨密封的流场、温度场及结构场特性。结果表明：封严气体在周向槽及密封环段搭接处压力不平衡,流速分布不均且在流场出口附近紊乱;泄漏量随着密封线速度的增大而减小,随着密封压差的增大而增大;密封环温度、变形和应力都随着密封线速度的增大而增大,温度场对密封环结构影响最大;封严气体能减轻密封环变形,但气体力会增大密封环的应力值;摩擦热对密封结构影响显著,尤其在环段搭接和防转销处。     

涡旋压缩机的径向迷宫密封研究*

针对涡旋压缩机径向密封难以实现的难题,提出一种径向迷宫密封。用几何学和热力学方法证明基圆渐开线型涡旋压缩机径向光滑间隙密封中的泄漏气速达到声速,分析径向光滑间隙密封中泄漏气体的热力变化过程,根据临界截面上气体的气动热力特性,推导出考虑边界层摩擦损失的径向光滑间隙密封泄漏量的算法,根据能量方程和连续性方程,推导出判定径向迷宫密封中泄漏气速是否达到声速的判别式和径向迷宫密封泄漏量的算法。计算和实测两种密封在一系列相邻压缩腔压差对应下的泄漏量。理论计算和试验对比表明,给出的两种密封泄漏量的算法正确;径向光滑间隙密封和径向迷宫密封的泄漏量均随着相邻压缩腔压差的增大而增大;径向迷宫密封的直通效应随着相邻压缩腔压差的增大而更加明显;径向迷宫密封泄漏量实测值约为径向光滑间隙密封泄漏量实测值的79%,说明径向迷宫密封的密封性能优于径向光滑间隙密封的密封性能。     

基于多孔介质模型的机械密封静压泄漏特性分析

针对接触式机械密封普遍存在的渗漏现象,考虑到流体在多孔介质中的流动和在密封端面间的流动具有相似特征,基于多孔介质模型建立密封端面间渗流模型,通过对动量方程和连续性方程的推导,得到适用于密封端面间流体流动的控制方程,提出一种密封端面间泄漏率的解析计算新方法,并与COMSOL数值模拟得到的泄漏率进行对比分析;研究孔隙率、端面表面粗糙度、膜厚、密封介质压力和弹簧比压对静压泄漏特性的影响规律。结果表明,泄漏率随孔隙率、端面表面粗糙度、膜厚和密封介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减小,解析计算结果和数值模拟结果的变化趋势基本一致,证明该解析法计算泄漏率具有实用性和可行性。     

基于流固耦合的接触式机械密封端面泄漏率的研究

由于没有考虑密封环端面变形的影响,采用经验公式计算接触式机械密封端面的泄漏率存在较大的误差。本文考虑了密封端面泄漏率受密封环端面变形的影响,采用ANSYS和MATLAB软件对密封端面泄漏率进行流固耦合数值求解。研究了密封介质压力pi、密封端面压差Δp、弹簧比压psp和密封端面综合粗糙度σ对接触式机械密封泄漏率Q的影响。通过试验,验证了不同密封介质压力下,密封端面泄漏率数值解的正确性。结果表明,考虑密封环端面变形的数值解比经验公式解更接近测量值。密封端面泄漏率随密封端面综合粗糙度和密封端面压差的增大而加速增大,随介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减速增大。本文通过对密封端面泄漏率数值求解,分析泄漏率的影响因素,以期为完善接触式机械密封失效机理起到一定的指导意义。     

低滞后刷式密封泄漏特性与滞后效应研究

针对带遮流板的低滞后刷式密封结构,采用经试验数据修正的多孔介质模型,对3种减压腔轴向尺寸的结构在不同上下游压差下的三维泄漏流场进行了数值模拟,对这3种结构在压差上升和下降过程中呈现的泄漏系数滞后效应进行数值分析。研究结果表明:经试验修正的多孔介质模型能较好地预测低滞后刷式密封结构的泄漏量;不同减压腔轴向尺寸的低滞后刷式密封的压力分布趋势基本相同,减压腔使刷束和后挡板间几乎不存在压力梯度;随着压差的上升,泄漏系数先迅速增大后趋于定值;减压腔轴向尺寸为0.5 mm时泄漏系数最小,但其表现出的滞后效应更显著。研究结果可为低滞后刷式密封泄漏特性滞后效应研究及结构设计提供依据。     

刷式密封流场和温度场数值模拟

将刷式密封区域视为多孔介质,建立刷式密封CFD数值分析模型;结合FLUENT软件,通过求解Non-Darcian多孔介质模型的能量方程和(RANS)完全雷诺平均方程的方法,研究刷式密封干涉量、转速和压比对刷式密封流动和传热特性的影响规律;采用EUGRN方程推到出多孔介质阻尼系数计算方法,并通过试验验证该方法的正确性。结果表明:随着压比的增大,最高温度先增大然后减小;随着转轴与刷丝束间干涉量和转速的增加,最高温度增大;在每个转速下都存在一个临界压差可使得刷丝自由端最高温度达到最大值。     

高压高转速螺旋槽干气密封浮环变形研究

柱面螺旋槽干气密封被应用于高参数工况时,由于浮环容易发生变形,影响密封系统的运行和性能。根据柱面干气密封的结构特点,建立考虑流固耦合下的旋转环和浮环的模型;绘制柱面气膜计算域,利用独有block映射技术的ICEM软件对气膜模型进行跨尺度网格划分;采用Fluent对气膜流场进行模拟计算,提取浮环表面所受气膜承载力的变化函数;结合ANSYS Workbench将变化的气膜压力耦合到浮环固体表面上进行力变形求解,讨论介质压力、转速对变形的影响规律。结果表明:浮环的变形主要表现为沿径向的挤压变形,浮环外边缘处产生最大压缩位移,且最大变形量超过了密封时的平均气膜厚度,说明流场的变化对浮环的变形有一定的影响;浮环的最大变形量及应力值与介质压力、转速呈线性关系增加,其中介质压力起主引导作用。     

考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合性能分析*

转子的高速转动会造成指尖密封的渐进磨损,进而会对指尖密封的泄漏性能产生影响。考虑渐进磨损效应对指尖密封的影响,建立指尖密封流-固耦合动态性能分析有限元模型,研究指尖密封泄漏性能随服役时间增长的变化规律。结果表明:随着服役时间的增长,指尖密封的接触压力、指尖靴(径向)尺寸以及指尖密封的泄漏率均呈现出非线性变化趋势,且随服役时间的增长,考虑渐进磨损效应与否的指尖密封动态性能间的差异会随之增大。通过指尖密封泄漏性能试验,验证了所构建的考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合动态性能分析模型,并根据指尖密封的泄漏性能随服役时间增长的变化规律拟合寿命评估数学模型,经外推后可实现对指尖密封寿命的预测。     

基于流固耦合的橡胶O形圈密封泄漏计算方法*

提出一种基于流固耦合的橡胶O形圈静密封泄漏计算方法。对平行平板泄漏模型进行改进,使其适用于通道截面高度可变的泄漏率、介质压力计算;采用有限元仿真方法进行固体力学分析,求解宏观接触压力;采用Greenwood-Willamson模型进行接触力学分析,求解泄漏通道平均高度。基于数值方法研究介质压力、环境温度、表面形貌参数对橡胶O形圈密封性能的影响规律。结果表明,随着介质压力、环境温度、表面高度分布标准差的增大,体积泄漏率逐渐增大。上述数值方法以泄漏率作为表征密封性能的参数,能综合考虑橡胶材料、介质、工况等多种因素对O形圈密封性能的影响,对橡胶O形圈的寿命预测和失效分析更具指导意义。     

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。     

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明：在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。     

非金属刷式封严泄漏特性试验与仿真研究

以碳基纤维材料为刷丝制备一种新型非金属刷式封严,搭建专门装置评估该刷式封严的封严性能和流动特性;采用多孔介质模型模拟刷丝束区域,并仿真计算获取该封严的泄漏和内部流动特性。试验与仿真研究均表明,压差增加导致泄漏增加,转速对泄漏影响不明显;仿真计算结果表明,压差主要发生在刷丝束区域,压差越大,后腔射流形成的旋涡强度越大;耐久性试验表明,经初始磨合过后,刷式封严性能较稳定,满足封严要求,但经更长时间的耐久性试验后,碳基纤维刷丝刷式封严性能出现严重下降,表明其耐久性仍有待提高。     

挡板结构对刷式密封泄漏流动特性的影响

为研究前后挡板结构对刷式密封压力和流场的影响规律,采用非线性Darcian多孔介质模型,分别建立6种不同前后挡板结构的刷式密封求解模型,通过与相关实验数据对比,验证模型的合理性,采用ANSYS软件对刷式密封进行数值分析,研究不同前后挡板结构下的刷丝束压力和流场分布特性。研究结果表明：压比和挡板结构对刷式密封封严性能起到关键作用;刷式密封的泄漏量随着压比增大而增大,长前挡板结构能够减小泄漏量,基本型和环形腔型后挡板结构的泄漏量基本没有区别,通腔后挡板结构会使泄漏量显著增长;长前挡板结构能够减小刷丝束内压力,后挡板结构对刷式密封的压力分布起到决定作用;通腔后挡板能够消除部分径向压力梯度,提高刷式密封寿命,但会造成泄漏量增长。     

内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明:圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。     

纯水密封径向间隙优化设计及仿真计算

纯水密封摩擦力大、泄漏量大、寿命短,无法为矿井液压系统稳定工作提供可靠有效的保障,从而导致开采过程中出现安全隐患。针对上述问题,利用有限元分析软件ANSYS建立复合密封件二维轴对称模型,在其他条件相同的情况下,分析不同径向间隙、不同压力载荷对密封静态和动态性能的影响,得到密封接触应力变化时对密封性能的影响规律,通过对不同径向间隙进行参数化设计,找到满足工作条件的最优径向间隙。仿真分析表明:径向间隙为0.25 mm时,复合密封件在1.5倍公称压力下的接触应力为49.854 MPa,密封效果最好;径向密封间隙为0.375 mm时,接触应力过小会导致泄漏现象产生;径向间隙为0.125 mm时,虽然密封性能进一步提升,但是接触应力的增大导致密封件磨损加速。实验表明:0.25 mm径向间隙液压缸密封寿命可达到20000次,较0.125 mm径向间隙液压缸密封寿命长约1/3。     

压力自适应型机械密封的数值模拟研究

针对压力自适应型机械密封在高压工况下密封端面变形与密封性能不佳的问题,采用ANSYS中的计算流体力学软件FLUENT和有限元分析软件Mechanical APDL,在15.9 MPa高压工况下分别对密封端面间隙中的液膜流场和密封环进行了数值模拟分析研究,并将计算出的液膜流场状态和密封环变形结果进行了流固耦合求解,进而对液膜厚度对密封性能的影响规律进行了分析,同时对在实际工作状态下,工作压力逐渐上升,密封各性能参数的变化规律也进行了分析。研究结果表明,该密封在高压下的端面变形符合设计需要,密封环端面间的开启工作压力在3 MPa左右,在15.9 MPa高压工况下密封端面间流场的开启力为67.6 kN、泄漏量为0.04 m3/h,平衡膜厚为2.8μm。与其他类型的密封相比,结果显示该种密封能够在高压下提供足够的开启力和在低压下较小的泄漏量。