斜线槽液体润滑非接触式机械密封性能研究

根据液体润滑理论建立了斜线槽液体润滑非接触式机械密封数值分析模型,定义了斜线槽的主要几何结构参数,采用有限元方法求解雷诺方程,获得了端面液膜压力分布,分析了斜线槽端面几何参数对端面开启力、泄漏量、液膜刚度等对密封性能参数的影响规律。结果表明,斜线槽槽根半径不能取值过大或过小,大约为58mm时能取得最优的密封性能;斜线槽液体润滑非接触式机械密封倾斜角α1不应该大于倾斜角α2,否则密封性能会很大程度上削弱。     

空化效应下端面液膜机械密封性能分析

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应,基于Schnerr-Sauer空化模型,采用流场计算软件FLUENT对机械密封端面液膜密封流场进行空化模拟,探究液膜密封在不同转速、入口压力、槽深、液膜厚度以及不同螺旋角对空化效应的影响规律。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在考虑空化效应时的开启力、泄漏率均小于不考虑空化效应工况下的值,而且工况参数和结构参数的影响规律基本相似。综合考虑端面螺旋槽液膜密封的密封性能以及可靠性,建议取槽深为10～14 μm、液膜厚度为3～4 μm和螺旋角为15°～20°时,端面螺旋槽液膜密封的整体密封性能最佳。     

型槽参数对斜直线槽液膜密封性能的影响

为进一步探索斜直线型槽对密封性能的影响机制,基于质量守恒边界并定义液膜密度比,建立斜直线槽液膜密封动压润滑模型;采用有限差分离散方程,对比分析液膜空化理论与实验值,验证计算模型与程序准确性;研究斜直线型槽参数包括槽数、槽深、径向和周向槽宽比对密封性能的影响。结果表明：不同倾斜角时,在临界范围内,增加槽数或增大槽深均有助于提升液膜承载力、增大泄漏量并有效降低液膜空化,尤其在较大倾斜角下;在一定范围内,虽均增大径向和周向槽宽比可提升液膜承载力、促进液膜空化发生及增大泄漏量,但影响规律不尽相同。以提升液膜承载力为目标,得出的最优型槽参数为槽数42、槽深25μm、径向和周向槽宽比分别为0.7和0.6。     

湍流效应对空化流场及密封性能的影响

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以及空化区域面积的影响。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在湍流状态下的开启力、泄漏率以及空化面积比均大于层流模型下的值,且随着几何参数和工况参数的变化,层流效应和湍流效应对密封开启力、泄漏率以及空化面积比的影响规律基本相似;在不同条件下,螺旋槽外径侧更容易产生空化效应,且湍流效应下的空化区域明显大于层流效应下的值。研究表明在端面螺旋槽液膜密封中,湍流效应和空化效应对密封稳态性能的影响不可忽略。     

阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行CFD流体仿真分析。结果表明：工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。     

双列斜直线槽液体密封上游泵送效应的研究

以双列斜直线槽液体密封端面间的液膜为研究对象,建立了求解端面液膜特性的控制方程,应用CFD软件对密封端面间的流场进行了数值模拟,计算了在不同槽深时的端面开启力和泄漏量。结果表明:双列斜直线槽液体密封可产生动压效应和上游泵送效应,通过合理设计,可使泄漏量为零或使流体向上游泄漏。     

两种动压机械密封性能的对比研究

对径向直线槽和斜直线槽液体动压机械密封进行了对比分析,研究了槽深、槽数和转速对密封性能的影响。结果表明,在相同条件下,斜直线槽密封的端面最大压力、端面开启力和液膜刚度均大于径向直线槽,且具有零泄漏特点,综合性能优良。     

斜直线槽液膜润滑端面密封流体动压特性

为进一步探索斜直线槽液膜密封性能变化规律,基于质量守恒空化边界及定义液膜密度比,建立斜直线槽液膜密封流体动压润滑模型,采用有限差分法离散控制方程并求解,对比分析液膜空化理论值与实验值,验证计算准确性,研究操作工况、物性参数和膜厚槽深比对斜直线槽液膜密封流体动压特性影响。结果表明：相比较小倾斜角,较大倾斜角的斜线槽密封有效提升液膜承载能力、增大泄漏量并降低液膜空化率;不同倾斜角时,提高转速或增大压差,均可提升液膜承载能力、增大泄漏量,但两者反向影响液膜空化率;增大介质黏度或减小膜厚槽深比,虽均可提升承载能力、促生液膜空化并降低泄漏量,但其影响规律不尽相同。     

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。     

斜线槽上游泵送机械密封流固耦合分析*

采用Pro/E软件建立斜线槽上游泵送机械密封流固耦合三维几何模型,在ANSYS Workbench中进行单向流固耦合计算,在不同工况条件下对SiC、WC、YWN8三种动环材料进行有限元对比分析,研究材料和工况参数对应力和变形的影响。结果表明:最大应力和最大变形均发生在斜线槽外径边缘,最大应力随转速的增加逐渐减小,转速对最大变形基本没有影响;压差对最大应力和最大变形影响较大,且均随压差呈线性增加的趋势;研究有3种材料中,YWN8最大变形最大,不适合做密封动环材料,而SiC的最大变形最小,且具有较强的耐磨性和耐腐蚀性,在其他条件都满足要求的前提下,推荐优先选用SiC为密封动环材料。     

新型流线槽流体动压型机械密封性能*

以核主泵用新型流线槽流体动压机械密封为研究对象,建立密封间隙内液体膜的压力控制方程,应用有限差分法求解,分析特定工况下流线槽的结构参数对密封性能的影响。结果表明：泄漏量和刚度对密封间隙的变化最为敏感,间隙增大时,泄漏量迅速增加同时刚度急剧下降;刚度随槽深、槽长比、堰宽比增大而先增后减,并在一定区域获得峰值。流线槽槽数为12、槽深为2 μm、密封端面间隙为1 μm、槽长比为0.6、堰宽比为0.6时,液体膜具有较大的开启力、刚度和刚漏比,密封端面产生的流体动压效应显著,密封工作性能达到较佳状态。     

机械密封镶装密封环开空刀槽对密封性能的影响

以航天涡轮泵用机械密封的镶嵌静环组件为研究对象,采用有限元法对比研究了静环座开或不开空刀槽2种情况下,石墨静环在静态条件下的接触压力、端面轴向变形和等效应力的分布特征。结果表明:未开空刀槽镶装静环组件的石墨环密封端面轴向变形分布沿径向呈发散楔形状,且相对变形量差值较大,而开空刀槽后静环组件的接触压力、等效应力和端面轴向变形均得到改善。分析了空刀槽的尺寸大小、形状以及开槽位置对石墨静环受力特征的影响,确定了静态条件下合理的开槽几何特征值。结果表明:空刀槽开在静环座径向侧壁根部较合适,且当空刀槽槽宽占比约为1/2时,静环端面轴向变形达到最小,有利于减小密封泄漏率;相比于其他几种空刀槽结构形状和特征尺寸,石墨静环拥有燕尾形空刀槽且当燕尾角为45°时,其端面轴向变形量沿径向变化最小,静环的装配应力均值最小。     

磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合分析

为了研究磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合效应,利用ANSYS Workbench软件计算了磁流体膜的压力分布、温度分布和动环的变形量,分析了电流强度、转速和磁性颗粒体积分数对磁流体膜压力、温度和动环变形的影响。结果表明：随着电流强度、转速和磁性颗粒体积分数的升高,磁流体膜的动压、温度和密封环的热变形都增大;内径处的磁流体温度最高但压力最低,磁流体基液易汽化;动环的压力变形远小于热变形;磁流体膜的压力、磁流体膜温度的数值解大于试验值和解析值,其主要原因在于数值解考虑了密封堰和离心力对磁流体膜的影响。     

镶嵌式直线深槽流体动压型机械密封性能研究

以端面开有直线深槽的镶嵌式密封结构为分析对象,建立了密封环与润滑液膜间的流固力耦合模型,采用有限差分和有限元法分别求解润滑方程和变形方程,研究了密封压力和转速对润滑液膜的影响规律,分析了操作参数对密封性能的影响。研究结果表明,由于直线深槽作用,密封端面形成了一定的波度和锥度,波度随着压力的升高而变大,但锥度增幅不是很明显,而对波度的变化影响较大。密封端面的波度和锥度随转速的变化不大。密封压力升高时,密封端面间的泄漏率增大,摩擦系数相应地减小;密封转速增大时,密封端面间的泄漏率变化不是很明显,而摩擦系数相应的增大。     

外加压凹槽式机械密封热分析

用ANSYS软件建立外加压凹槽式静压型机械密封的有限元分析模型,求解并分析动、静环在稳定运行过程中的温度场。利用热实体单元,添加位移约束,并引入温度场的计算结果计算密封动、静环的热应力和热变形,分析其影响因素。结果表明,动、静环密封端面在靠近内径处均产生高温,静环凹槽根部温度梯度最大;静环在内径处变形量最大而动环变形量最大处则距内径为6.5 mm(即凹槽的内侧)。     

"零压差零泄漏"液体润滑螺旋槽机械密封性能的实验研究

通过实验方法,研究了内外双螺旋槽机械密封端面简的液膜压力和端面温升。液膜压力直接反映了密封端面的润滑状况,液膜压力开始随转速的增加而增大,当转速较大时,随转速的再增大而下降。正常运转时,端面温升很小。实验研究表明,螺旋槽机械密封能在保持零泄漏的同时,实现端面的非接触。