可脱开式油封脱开转速的有限元分析研究

该文利用有限元分析的方法,对油封高速旋转状态下的脱开转速进行了计算,获得了脱开转速区间;并通过试验验证了计算结果的准确性;同时,通过计算发现弹簧的离心载荷对唇形密封脱开转速影响不大;密封前后压差不变,腰部厚度越小,脱开转速越大;结构尺寸不变,密封前后压差越大,脱开转速越大。相对腰部厚度,油封脱开转速对密封压差变化更为敏感。     

大圆形孔端面机械密封性能分析

考虑液膜空化的影响,采用有限单元法求解层流、等温条件下控制流体密封端面膜压的雷诺方程,分析大圆形孔端面机械密封在不同端面几何结构参数和操作条件下,端面液膜压力分布以及开启力、液膜刚度和泄漏率等密封性能参数的变化规律,对比微孔与大孔密封端面的性能,指出大圆形孔端面密封产生承载力的机制;以最大液膜刚度及开启力为优化目标,在研究范围内获得大孔的最佳孔深。结果表明:在相同研究条件下,随着孔径和孔数的增加,大圆形孔产生的流体动压效应比微孔更强;随着介质压力的增加,静压效应增强,空化效应减弱,由此导致端面开启力增大,液膜刚度下降,泄漏率增大;随着转速的增大,开启力和液膜刚度均增大,而泄漏率减小。     

多锥角收敛间隙流体静压密封的数值分析

根据单锥角收敛间隙流体静压密封模型,提出多锥角收敛间隙流体静压密封的结构,建立双锥角和三锥角流体静压密封端面间液膜数值分析模型,采用Fluent流体分析软件计算得到端面间的压力和速度分布,分析工作参数如转速、压力,密封结构参数如锥角等对密封性能的影响。结果表明:双锥角或三锥角模型,当其任意一个锥角增大,泄漏量和开启力都增大;越靠近内径的锥角大小对密封性能的影响越大;转速对密封性能影响不大;增加锥角数量,可改善压力分布,提高开启力。     

收敛楔形间隙流体静压机械密封中流场的数值模拟

建立了收敛楔形间隙机械密封流场的数值模型,基于有限体积法,采用流体力学软件Fluent,对密封间隙中的液膜进行三维数值模拟,得到了密封间隙中液膜的压力和速度分布.分析端面各结构参数(如密封面宽、收敛锥角)及操作参数(如转速、压力)对密封性能的影响,并计算得到稳定工况下的工作膜厚及泄漏量.结果表明:收敛锥角越大,泄漏量及开启力越大;最小液膜厚度越大,泄漏量越大,开启力越小;静压密封中轴转速对泄漏量及开启力影响不大.     

毫米级不同形状方向性孔流体动压特性对比研究

为提高多孔端面密封的流体动压特性,提出了毫米级多孔端面结构.针对密封端面间液膜空化现象问题,运用基于质量守恒的JFO空化理论建立了不同形状方向性孔(圆形、椭圆形、菱形)的理论分析模型,采用有限差分法求解了密封端面间流体膜压的Reynolds控制方程,获得了端面膜压分布图,从而在密封端面内外压差相等(即只考虑动压效应)的情况下对比分析了转速n、方向因子γ、倾斜角β等参数对毫米级不同形状方向性孔的流体动压特性的影响规律.研究结果表明:不同形状方向性孔的流体动压特性存在较大差别,方向因子γ越小、倾斜角β=0°的椭圆孔动压特性最佳,而方向因子γ越大、倾斜角β=45°的菱形孔的动压特性差.该研究方法对多孔端面密封理论和工程实践具有重要的应用价值.     

考虑波度和锥度的端面密封稳态特性数值研究

用有限差分法推导膜厚方程与压力分布方程,建立考虑径向锥度与周向波度的三维模型,应用MATLAB软件编程对接触式机械密封进行稳态特性分析,研究影响密封性能的因素,并对建立的模型进行准确的密封性能评估与分析。结果表明,转速的改变对密封性能参数影响较小,调整压差对控制泄漏、改善密封性能有更明显的效果,开启力与泄漏量等参数随压差的增大均有增大趋势;当压差为正值时,正锥度对动压起削弱作用,负锥度对动压起增强作用,而端面周向波度对流体动压的形成起到关键作用。     

工况参数对螺旋槽机械密封性能的影响

为得到在不同的工况参数下对螺旋槽机械密封的密封性能的影响规律,建立理想状态下的流体计算域模型,运用计算流体力学对螺旋槽机械密封动静环间的流场进行模拟分析,通过工况参数的改变来观察各密封性能参数—端面压力、开启力、泄漏量等的变化规律。结果表明:螺旋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;泄露量的大小随动环转速或介质压力的提高而变大,随介质粘度的增大而减小;开启力的大小与动环端面的压力具有相同的变化规律。     

多相介质泵用高压密封设计及性能分析

针对多相介质泵用机械密封运行特点,为避免介质含气量大范围波动而影响密封端面润滑膜的稳定性,开展高压双端面机械密封结构和端面槽型设计,通过变形校核证明结构设计合理。建立密封端面深槽流体润滑模型,采用数值计算方法进行求解,分析不同开槽面积比的圆弧型槽的端面泄漏量、开启力等主要密封性能随工况参数的变化规律。结果表明：高压状态下,密封端面开深槽能有效改善端面润滑状态;端面泄漏量和开启力随着开槽面积比的增大而变大,同时压力越大,端面泄漏量和开启力也越大,但转速对端面泄漏量和开启力的影响不大。对设计的密封进行台架性能试验验证,获得的密封端面泄漏量变化规律与数值计算结果趋势保持一致。     

基于Fluent的上游泵送机械密封性能正交试验研究

提出一种斜线槽上游泵送机械密封,运用正交试验法设计上游泵送机械密封试验方案,基于Fluent软件进行数值模拟试验,分析各个试验参数对密封端面开启力和泄漏量的影响。结果表明:在试验参数的取值范围内,对开启力有显著影响的因素是槽数、径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和压差,具体表现为开启力随着径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;对泄漏量有显著影响的因素是槽深、槽宽比、液膜厚度、转速和压差,具体表现为泄漏量槽宽比、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多而呈下降趋势。依据正交试验分析结果,提出初步优化的密封端面结构参数。     

油气两相回流泵送密封的端面温度分布分析及试验验证

密封端面温度不但影响端面变形也表征了端面的摩擦状态,对密封的运行至关重要,尤其是对于动压密封启停时的非开启状态。研究油气两相回流泵送密封(OG-BPS)在开启态和非开启态下的端面温度分布。在ANSYS Workbench中建立热-结构耦合数值分析模型并进行变工况参数试验,分析了转速、压差和液气比等工况参数对端面温度的影响。结果表明:在开启态下,端面温度随着转速和液气比的增加仅略有增加,因此OG-BPS在变工况条件下能够稳定可靠地工作;在未开启态下,端面温度随着转速和压差的增加而急剧增加,但随着液气比的增大,端面温度迅速下降,油气两相介质有利于启停运行。试验结果与数值计算结果相吻合,证明了数值计算的正确性。     

高压差越孔密封技术

油田井下滑套类工具普遍存在高压差下越孔密封的技术难题.为了保证滑套能够反复越孔后仍能可靠密封,分析了压力平衡式、双密封圈组合式和异形密封圈3种越孔密封技术的结构和特点,并进行了试验研究.结果表明,这3种技术满足从一次性越孔密封到长期频繁越孔密封的不同要求,基本满足当前油田井下工具对高压差越孔密封的需要.其中压力平衡式越孔密封技术满足长期频繁越孔密封的要求,双密封圈组合式越孔密封技术满足密封次数少于5次的密封要求,而异形密封圈越孔密封技术适用于要求一次性高压差越孔密封的场合.     

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。     

衍生螺旋槽对超临界二氧化碳干气密封微气膜稳态特性影响*

以衍生螺旋槽为研究对象,建立衍生螺旋槽端面微气膜三维流动模型,通过软件REFPROP获取CO2在不同压力温度下的物性参数,并导入Fluent计算得到了衍生螺旋槽和经典螺旋槽的膜压分布。对比分析衍生螺旋槽和经典螺旋槽S-CO2干气密封开启力、泄漏率和气膜刚度,讨论不同入口压力和转速下湍流效应、实际气体效应以及离心惯性力对密封稳态性能的影响,揭示多种效应交互耦合对S-CO2干气密封气膜动态特性的密封机制。结果表明：衍生螺旋槽的气膜开启力、泄漏率和气膜刚度等性能参数优于经典螺旋槽,这是衍生螺旋槽两级台阶作用的结果;随着转速的增加,在湍流效应和离心惯性力的交互耦合作用下,开启力、泄漏率及气膜刚度先增大后减小,随入口压力的增大,气膜开启力、泄漏率和气膜刚度均呈近似线性增大,且压力越大衍生螺旋槽和经典螺旋槽的差异越来越明显。     

双向菱形孔织构端面密封性能研究

基于双向双列菱形孔织构端面流体密封的理论控制模型,采用有限元分析的方法研究菱形孔结构、排布方式和工况参数对密封性能的影响规律,研究菱形孔双向泵送作用对机械密封动压润滑性能影响规律及内在运行机制。结果表明：随外压增大,内外径处的压差逐渐增强,开启力和泄漏率逐渐增大,液膜刚度是先减再增而后减小;随转速增加,开启力、液膜刚度和泄漏率均呈快速增大的变化趋势;随着基础膜厚增大,开启力、液膜刚度先快后缓慢减小,而泄漏率则迅速增加;端面加工出的双向双列菱形孔织构可将间隙内流体进行回吸,从而减少泄漏率,提高了端面间隙的润滑性能,通过排布形式各异的菱形孔及结构参数的优化设计可实现密封特性的提升。     

影响椭圆微孔端面机械密封回吸现象的参数研究

为研究回吸现象对泄漏率的影响,基于Fluent多相流空化模型,建立椭圆微孔端面机械密封间隙液膜的三维数值计算模型,并从原理上分析影响回吸现象的因素。结果表明:回吸越强,泄漏率越低,甚至是零泄漏;回吸现象的影响参数可以分为两类:影响动压效应的参数,如转速、内外径压差、空化压力;造成低压区与密封间隙出口截面间距离改变的参数,如方向角(椭圆长轴与水平轴逆时针夹角)、椭圆形状因子(椭圆长短轴比)。探讨各因素对椭圆微孔端面机械密封回吸现象的影响。结果表明,回吸的强弱与转速、椭圆形状因子正相关,与内外径压差、空化压力负相关,与方向角的关系类似正弦曲线。     

搅拌轴磁性流体密封结构可靠性实验研究

根据纳米磁性流体密封原理,设计了搅拌轴纳米磁性流体密封结构,对搅拌轴长径比、转速、励磁电流大小与密封性能关系进行理论计算和实验研究。理论计算表明所设计的搅拌轴纳米磁性流体密封结构是可靠的。实验结果表明:当磁性流体初始密封压差比较大时,随轴长径比的增大,密封压差迅速减小,而当初始密封压差较小时,轴长径比的增大对密封压差的影响较小;当轴的转速较低时,轴的转速对磁性流体密封性能影响不大;励磁电流大小与密封性能成正比,但随着电流的进一步增加,密封压差的增加变得不明显。     

直通式篦齿密封性能的数值模拟与试验研究

利用 FLUENT 软件对过热蒸汽分级机转轴的篦齿密封的内部流场进行数值模拟,对影响其性能的部分因素进行分析。结果表明,篦齿密封两端压差对泄漏量的影响非常明显,压差越大,泄漏量越大;篦齿密封的泄漏量随着节流间隙宽度增大而增大,但两者是非线性的关系;在齿形角不变的情况下,篦齿空腔深度小于2 mm 时对密封泄漏量的影响很大,而空腔深度大于2 mm 时对密封泄漏量的影响很小;转轴转速对泄漏量基本没有影响。通过试验验证了数值模拟方法计算篦齿密封泄漏量的可行性。     

端面微造型机械密封的数值模拟与实验研究

建立沿螺旋线排列的端面微造型机械密封液膜模型,基于质量守恒方程,考虑槽区深度、槽区半径、非槽区深度、螺旋角等几何参数及压差、转速等工况参数对开启力、泄漏量的影响;并基于高速实验台,测量了端面间的摩擦扭矩,同时与模拟结果对比。结果表明:固定压差时,随着槽区深度增加,开启力和泄漏量增加,固定转速时,泄漏量增加,开启力先增加后减小;随着槽区半径或螺旋角的增加,开启力和泄漏量减小;压差和转速的增加使得端面间摩擦扭矩增加,且实验值大于模拟值。     

基于灰色关联度的微孔端面机械密封开启力共性影响参数分析

目前微孔端面机械密封采用的几何参数繁多,缺乏明确物理意义。为找出跨孔型的共性几何参数,基于Fluent多相流空化模型,针对矩形孔、菱形孔、椭圆孔端面机械密封,建立密封间隙流体的三维数值计算模型,计算得到144条开启力数据;在分析开启力和几何尺寸之间的关系、额外开启力产生机制的基础上,提出等效长度和等效宽度2个具有物理意义的几何参数;采用灰色关联度分析法,分析和验证等效长度、等效宽度、方向角、面积比对开启力的影响,发现4个因素对3种微孔密封的间隙流体开启力都有影响,但等效长度与等效宽度的影响较方向角、面积比大。     

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。