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。     

基于MATLAB的混合摩擦工况下机械密封动态特性研究

考虑机械密封动环和静环端面的粗糙度,同时考虑动环和静环端面摩擦生热和两端面问液膜的粘性热作用,建立了混合摩擦工况下机械密封的数学模型,并结合ANSYS与MATLAB软件对模型进行求解.结果表明:机械密封在启动过程中密封端面内侧温度不断升高,热膨胀作用使得接触压力逐渐增大;外侧温度也有所增加,但增加的速度较内侧慢,内外侧的温差逐渐增大;液膜厚度由内向外逐渐变大,总的液膜力逐渐增大,而总的接触力逐渐变小,接触区域也随之减小,当密封环达到热量平衡时,机械密封也达到平衡状态.     

低温液氧T型槽密封端面流场数值模拟

以动环、静环和液膜三者为研究对象,建立了低温液氧介质T型槽密封的三维实体模型。利用流体力学计算软件FLUENT对模型进行数值模拟,得到了密封端面液膜流场的压力场分布、剪切力分布和液膜动静环两侧温度场分布,分析了主轴转速、密封介质粘度和压差对开启力、泄漏量和液膜两侧温升的影响。结果表明:动环端面开槽可减少粘性摩擦热,液膜静环侧温升高于液膜动环侧温升,开启力和泄漏量与转速和压差的变化成正比,主轴转速的提高和密封介质粘度的增大都会提高端面温升,压差对温度变化的影响较小。     

螺旋槽机械密封摩擦副界面热力耦合变形分析

基于热力单向耦合理论,对螺旋槽机械密封摩擦副界面的热流体进行Fluent数值模拟,得到密封环的温度场分布规律;将得到的温度场作为边界条件之一导入到密封环端面中进行耦合力变形分析,并研究密封环的转速以及介质压力对动静环最大变形影响。结果表明:动静环的最高温度都出现在液膜和环的接触处,且温度由密封端面开始向两端逐渐降低;密封环的变形量相对于液膜厚度较大,其中静环的变形梯度较动环大,其更容易失效;动静环端面最大变形量随转速和介质压力的升高而增大,在选择工况条件时可适当降低转速和介质压力来减少端面变形量。     

炼油厂高温油泵机械密封泄漏原因分析及对策

当前石油化工炼油厂使用的高温介质泵大部分使用的是金属波纹管机械密封,机械密封的动、静环接触面上的摩擦热容易造成干摩擦或产生较大的温度梯度,从而使密封环产生过大的热应力导致密封端面磨损变形,严重时会出现热裂纹,造成机械密封的严重泄漏。本文结合具体实例详细介绍了金属波纹管机械密封的结构原理,并对金属波纹管机械密封端面温度及应力场进行了模拟分析研究,提出了改进措施,对于机械密封的设计和制造及其应用具有理论指导和现实意义。     

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.     

核主泵用流体静压型机械密封流固热耦合变形分析

核主泵泄漏量的大小受密封间隙影响,密封间隙形状与密封压力分布、热变形紧密相关。基于流体力学和传热学的基本原理,建立核主泵机械密封流固热耦合变形分析模型;通过分析接触状态,确定动、静环的边界约束条件。利用ANSYS软件对机械密封副的端面流场、流固热耦合热变形进行模拟分析。仿真结果表明：密封环内径与转折半径间的压力近似呈线性分布,而转折处与液膜外径之间的压力呈抛物线分布;动、静环应力分呈环形分布,最大应力处于静环上端面外径处;最高温度都出现在密封环靠近内径处,且动环温度高于静环。     

基于Pro/E平台下的机械密封热变形分析

利用Pro/E的热力学分析对机械密封的动环进行有限元分析,通过对密封环摩擦热、搅拌热等因素的分析计算,分析密封环端面温度对密封环结构变形的影响。结果表明:内流式机械密封端面温度径向呈近似抛物线分布;密封环内的温度梯度使密封环产生热变形,导致形成圆锥型的端面;热变形会使密封环产生内应力。     

基于CFD的机械密封环温度场影响分析

借助计算流体动力学(CFD)软件对影响机械密封环密封性能的因素进行分析,研究表明,转速的变化对动环、静环及端面液膜温升影响较大,随转速的增大,摩擦热增加,温升明显。另一方面,压差对动环、静环及端面液膜温升的影响程度则较小。     

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;端面摩擦热与主轴的转速有密切的关系,转速越大,产生热量越多,温度越高;密封环的导热系数也对端面温度也有影响,导热系数越高,端面最高温度会越低;端面热变形量内径处大于外径处。     

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。     

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...     

传动装置密封环传热性能的建模研究

根据传动装置密封环的工作特点,确定密封环传热规律。以密封环、油膜和密封介质组成的传热系统为计算模型,以摩擦热为热源,研究密封环的传热特性,得到密封环导热计算的热边界条件及其计算方法,推导密封环温度分布的计算公式,通过解析建模与求解计算得到密封环的温度分布规律,研究诸因素对密封环传热性能的影响。结果表明,工作压力和转速的增加,密封环温度都呈线性增长,而内外径的温度增量却不相同。     

中高温密封端面轴向变形及液膜汽化特性研究

为研究中高温液体动压型机械密封端面变形规律及液膜汽化特性,建立涉及汽液两相流和密封环变形的计算模型;以螺旋槽液体机械密封为例,研究不同介质温度下密封端面轴向变形特征,以及润滑膜压力、温度及汽化特性与端面变形的关系。研究表明：动环最大、最小轴向变形分别位于螺旋槽的迎风侧堰区内径侧附近、背风侧中部,槽堰区的轴向变形呈周向波浪式变化;密封端面变形导致坝区膜压、膜温升高且堰区液膜汽化程度明显提高;介质温度升高时,润滑膜温度明显升高、开启力下降,坝区保持低汽化程度,堰区汽化程度提升明显,且当介质温度达393 K后,汽化程度的增速明显加大,即存在汽化突增的介质温度值;转速增大,润滑膜整体汽化程度下降。     

螺旋槽机械密封泄漏率的控制方法

流体润滑的螺旋槽机械密封环端面在液膜摩擦热的作用下发生变形并构成径向楔形间隙。考虑液膜粘度随温度的变化,建立了液膜流动、密封环传热和热变形的耦合分析方法,依据该方法确定了与给定闭合力对应的端面间隙形式及泄漏率。研究表明,可通过调节闭合力可实现对泄漏率的控制;闭合力越大,液膜厚度越小,摩擦扭矩越大,泄漏率越小。     

CHARACTERISTCS OF FLUID FILM IN OPTIMIZED SPIRAL GROOVE MECHANICAL SEAL

In order to investigate the sealing performance variation resulted from the thermal deformation of the end faces, the equations to calculate the fluid film pressure distribution, the bearing force and the leakage rate are derived, for the fluid film both in parallel gap and in wedgy gap. The geometrical parameters of the sealing members are optimized by means of heat transfer analysis and complex method. The analysis results indicate that the shallow spiral grooves can generate hydrodynamic pressure while the rotating ring rotates and the bearing force of the fluid film in spiral groove end faces is much larger than that in the flat end faces. The deformation increases the bearing force of the fluid film in flat end faces, but it decreases the hydrodynamic pressure of the fluid film in spiral groove end faces. The gap dimensions which determine the characteristics of the fluid film is obtained by coupling analysis of the frictional heat and the thermal deformation in consideration of the equilibrium condition of the bearing force and the closing force. For different gap dimensions, the relationship between the closing force and the leakage rate is also investigated, based on which the leakage rate can be controlled by adjusting the closing force.     

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。     

牙轮钻头用单金属密封热流固耦合模型与性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性，构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系，建立了牙轮钻头单金属密封热流固耦合数学模型，并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形态、温升变化及密封性能的影响规律。研究结果表明：随钻井深度和环境压力的增大，单金属密封端面间隙逐渐由收敛型演化为发散型，膜厚及温升极值点由外径侧向内径侧迁移，其临界转折点为环境压力p0=11 MPa附近；高压工况下，密封端面内径侧接触压力递增，不利于润滑油膜的形成；密封系统的泄漏率和摩擦力随钻头转速增大均有所增大，但在低压工况下可通过合理增大钻头转速来提高钻井效率。     

INVESTIGATION INTO EFFECT OF SPRING PRESSURE ON PERFORMANCE OF BALANCED MECHANICAL SEALS

The loads acting on the sealing elements of balanced mechanical seals are analyzed. When the balance factor approaches the back pressure factor, the spring pressure will become main part of the face pressure. The leakage model of balanced mechanical seals is established on the base of M-B model for rough surface. Several GY-70 type balanced mechanical seals are tested. The influences of the spring pressure both on the leakage rate and on the friction characteristic of balanced mechanical seals are investigated. The research results indicate that as spring pressure increases, both the clear-ance between two end faces and the leakage rate will decrease, and the friction will be more serious because lubrication medium between the rotating ring and the stationary ring reduces, though the increase of the spring pressure may not be enough to change the face friction state of mechanical seals. There exists an optimum spring pressure for mechanical seal operation. Under this spring pres-sure, not only leakage rate is small, but also the seal end surfaces have a fine friction characteristic. Under different operating conditions, identical type mechanical seals may possess different spring pressure. Appropriate selection of spring pressure is valuable to realize long-period and small leakage rate operating of balanced mechanical seals.     

核主泵流体动压型圆形深槽密封的热流耦合分析

以核主泵流体动压型圆形深槽第二级密封为研究对象,建立包括密封环、端面液膜和密封腔组成的三维跨尺度传热系统。采用Fluent软件,在流固交界面采用强制耦合,求解能量方程和N-S方程,获得端面间液膜、密封环、密封腔的流场分布、压力分布和温度分布,在此基础上研究转速、冲洗量和冲洗进出口位置对三维传热系统的影响。结果表明:冷却冲洗对于密封环的散热有显著效果;深槽能降低密封端面的温度,起到局部的冷却作用;深槽结构以及流体惯性作用,导致深槽两侧存在压力梯度;转速对温度场的影响远大于冲洗量的影响;冲洗进出口位置对密封环、密封腔的温度场影响较大,冲洗进出口位置均存在最优值,进口在无量纲量L/L0为4/7处最优,出口位于动环外周凸台处有较好的冷却效果。