基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟

密封端面微间隙液膜特性是上游泵送机械密封性能研究的关键。采用Pro/E wildfire软件建立参数化螺旋槽上游泵送机械密封端面微间隙液膜几何模型,以清水为工作介质,使用Fluent软件,对跨尺度密封端面微间隙流场进行三维数值模拟,得到开启力及压力分布规律,并与有关测试结果进行对比分析,实验数据与模拟数值基本吻合,表明所采用的模拟方案可对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙三维流场进行较好地描述,该方法可用于密封端面微间隙流场及性能的系统研究;对端面压强分布进行分析,结果表明,在螺旋槽外槽根处存在最大静压,液膜开启力的增大主要来源于槽根产生的最大静压。     

端面粗糙度对螺旋浅槽机械密封液膜空化的影响

以螺旋浅槽上游泵送机械密封为研究对象,对端面粗糙度进行近似模拟,同时建立涉及表面粗糙度和液膜空化的间隙润滑膜流动计算模型,模拟分析端面不同部位粗糙度对密封液膜压力分布和空化的影响。研究表明：密封端面粗糙度会使液膜高压区压力提升、范围扩大,且粗糙度越大越明显,其中,动环非槽区粗糙度影响最大,静环端面粗糙度影响次之,动环槽区粗糙度影响最小;低转速(如1 000 r/min)时,无论端面粗糙与否,螺旋槽和粗糙微元均未导致液膜空化;较高转速时,位于较低膜压区的粗糙微元会导致液膜微观空化,动环槽区粗糙度对液膜宏观空化有一定的抑制作用且粗糙度越大抑制作用越明显,动环非槽区粗糙度导致膜压升高、空化区域收缩,静环端面粗糙度对液膜空化的影响相对较小;动、静环全端面粗糙时对空化的抑制作用比任何局部粗糙时强,且转速越高越明显。     

基于ANSYS Workbench的螺旋槽干气密封流固耦合分析

采用Solid Works软件建立螺旋槽干气密封的动环和气膜的三维模型,用ANSYS Workbench对模型进行单向流固耦合分析,得到动环密封端面的应力和应变分布情况,并研究动环转速和介质气体压力对动环密封端面应力和应变的影响。结果表明,动环密封端面应力和应变主要集中在螺旋槽区域,在螺旋槽根部出现应力和应变的最大值,体现出螺旋槽干气密封很好的动压效应;动环转速和介质气体压力对动环密封端面应力和应变均有较大影响,并且动环密封端面最大应力、最小应力及最大应变和最小应变均随着动环转速和介质气体压力的增大而增加。     

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。     

螺旋槽机械密封摩擦副界面流固耦合分析

基于建立的三维螺旋槽机械密封摩擦副界面的流、固有限元模型,数值模拟了动静环端面间的流体膜,得到液膜的压力分布规律,结果显示压力呈非线性分布;然后将得到的压力值作为边界条件之一导入到动环端面的静力学分析中,利用两者接触面间的自动迭代计算实现单向弱流固耦合分析,结果表明:最大变形发生在动环端面螺旋槽处,而最大应力发生在螺旋槽顶端;并进一步研究了动环的转速以及介质压力和粘度对最大变形和最大应力的影响规律,为密封性能的优化提供了有益的参考。     

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。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。     

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。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

螺旋槽上游泵送机械密封摩擦系数的解析分析

上游泵送机械密封是一种具有环保、长寿命、低能耗的高新密封技术,其应用前景将十分广阔。端面液膜特性是决定上游泵送机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素。主要依据流体雷诺方程和Muijderman无限窄槽理论,再用端面槽型因子对其进行修正,推导了螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜的径向压力分布、泄漏率、承载力、摩擦力、摩擦系数等液膜特性参数的计算公式,并重点分析了操作参数与槽型参数对端面摩擦系数的影响。研究表明,摩擦系数随转速和粘度增加而增加,随压力增加而减小。槽深H'=2.5、槽数Ng=10~18、槽宽比B=0.6~0.8、槽长比l=0.6~0.7时,密封环端面间摩擦系数较小,液膜特性较好,这时端面间间隙对摩擦系数几乎没有影响。此研究结果可为上游泵送机械密封的正确使用和设计提供依据。