热耗散变形下干气密封角向摆动稳定性的研究

干气密封系统角向摆动对密封端面造成磨损和影响密封的稳定性,通过数值求解和试验测试来探究密封角向摆动的稳定性规律。基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统角向摆动模型,同时考虑热耗散变形对气膜厚度和刚度的影响。将气膜刚度和阻尼表示为含有摆角的多项式变量代入振动方程并设置无外激励,利用Floquet指数对非线性振动微分方程进行求解。在热耗散变形下的螺旋角为75°48'32″和无热耗散变形下的螺旋角为75°42'55″时,密封将会发生Hopf分岔,表明考虑热耗散变形下系统稳定运行时的螺旋角范围更大,热耗散变形对螺旋角和分岔点位置有一定影响。选取75°50'和75°两种螺旋角测试热耗散变形下角向摆动对密封端面和泄漏量的影响,发现考虑热耗散变形下螺旋角75°50'的干气密封端面擦痕严重,泄漏量不断增加,无法稳定,相比较螺旋角75°的泄漏量更大,说明热耗散变形对干气密封角向摆动有一定的影响,为干气密封的动态优化设计提供了理论指导。     

热耗散变形下干气密封系统轴向振动稳定性分析

基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统轴向振动模型,同时考虑了热耗散有热弹变形对气膜厚度和刚度的影响。在特定的工况下,求解并拟合了非线性气膜的轴向刚度和阻尼,获得了一个非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求解Floquet指数,讨论了系统分岔的问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,得到了干气密封系统稳定运行的螺旋角范围,并求得螺旋角为75°54′36″时系统发生Hopf分岔。将数据结果与无热耗散有热弹变形、无变形下的数据进行比较。研究结果表明:考虑热耗散有热弹变形下的系统稳定的螺旋角范围比无热耗散有热弹变形和无变形的螺旋角范围更大。热耗散热弹变形下发生Hopf分岔的分叉点位置相比无热耗散有热弹变形和无变形的分岔点更加突出。这与先前利用龙格-库塔法研究的结果一致,从而验证该方法的正确性。其结果说明,热耗散有热弹变形对干气密封系统的稳定运行有一定的干扰,对工程实际具有一定应用价值。     

螺旋槽干气密封气膜刚度测试与稳定性分析

干气密封的关键技术是动压效应和稳定性问题,而气膜刚度是影响振动稳定性的主要参数之一。采用高精度改进型的电涡流微型传感器和Labview软件,并采用一系列的抗干扰措施,建立了螺旋槽干气密封的测试系统。通过测量干气密封的轴向静环振幅和轴向气膜振幅,而获得气膜刚度,并分析了其气膜振动的稳定性。试验研究表明：随着转速的增加和压力的升高,气膜刚度随之增大,气膜稳定性越好。本例中：压力变化范围为0.2-0.5MPa,转速变化范围为500 - 3000 r/min,得气膜刚度值的变化范围为0.01 - 0.03 KN/μm,且气膜刚度分别与压力和转速基本成线性关系;试验中测试了三种不同螺旋角的样机,得螺旋角为74°时,气膜刚度最大,气膜稳定性最好,选取合适的螺旋角可增加气膜的稳定性,从而对结构参数的优化提供了指导。     

机械密封与磁性液体组合密封流体动压效应的研究

为提升机械密封与磁性液体组合密封的密封性能、减少泄漏量,建立了密封环与密封间隙内液膜的流固耦合模型。采用数值迭代方法进行了流固耦合场的数值分析计算,研究求解组合密封中密封环端面机械变形的解析方法,并通过ANSYS有限元法验证该解析法的适用范围。进一步研究了流固耦合模型对组合密封性能的影响。由于在密封环端面开设直线型槽的作用,密封环端面形成了一定的周向波度和径向锥度。而密封泄漏率随锥角的增大近似呈线性比例增大,泄漏率受锥角的影响较大。密封介质压力升高时,密封环端面周向波度随之增大而径向锥度没有明显变化,这是由于在密封环端面沿周向设有直线型槽作用,减少了锥度增加的幅度,从而减少了密封环端面间的泄漏量。     

求解线接触热弹流润滑问题的多目标最优化方法

本文给出了求解线接触热弹流润滑问题中线非线性方程组的多目标最优化方法，该法把求解润滑油膜压力函数和油膜厚度函数的微分方程转化成为求解一个双目标优化问题，求得了压力和膜厚的解析解，所得结果符合热弹流润滑的经典理论。     

受移动热源作用的两端固定杆的广义热-弹耦合问题

基于带有一个热松弛时间的Lord-Shulman广义热弹性理论,研究了受移动热源作用的两端固定的均质各向同性杆的热-弹动态响应。该文给出了杆的广义热-弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换及其数值反变换对控制方程进行了求解。计算得到了杆内温度、应力及位移的分布规律,从其分布图上可以看出,温度、应力及位移随移动热源速度的增大而减小。     

考虑热效应的滚滑并存线接触粗糙界面的摩擦能量耗散特性研究

高速、重载工作条件下,机械结构滚滑并存界面的温度热效应变得显著,可导致系统的动力学特性、磨损特性和工作稳定性等发生根本性变化。通过建立滚滑并存线接触粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面温度热效应的影响,建立了滚滑并存线接触粗糙界面的能量方程、油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,求解了界面温度场,获得了表面粗糙形貌、界面法向载荷和运动速度对热润滑油膜厚度参数和摩擦能量耗散量的影响特性,为机械结构的润滑状态预测和系统动态性能分析提供基础。     

干气密封系统角向摆动的稳定性及其振动响应

干气密封系统角向摆动改变了动静密封环间的微尺度间隙,进而影响了干气密封的密封性能,建立了角向振动下气膜-密封环系统的动力学模型,应用微扰法和龙格-库塔法求解气膜角向刚度、临界转动惯量和角向摆动的二维振动方程,获得了密封系统稳定时的密封结构参数范围,并分析了最佳稳定点和临界点振动响应。研究结果表明:在特例中螺旋角α=75°邻域内,存在着稳定区域α=74°30′06″-75°16′10″,其最佳值为αopt=74°53′48″。最佳稳定点振动响应为准周期运动,而临界点振动响应发生了混沌运动。     

基于热流固耦合的液膜密封动态追随性分析

为研究热流固耦合下液膜密封动态追随特性,基于小扰动法及热动力润滑理论,考虑非补偿环轴向振动、角向偏摆,建立补偿环三自由度运动方程,对比并分析纯流场和热流固耦合模型下力学元件参数、操作工况参数、结构参数对动态追随性的影响。结果表明：在热流固耦合模型下求解的液膜密封扰动量略小于纯流场模型下求解的扰动量;增加激励振幅,弹簧刚度和O型圈阻尼均会导致扰动增大,动态追随性变差;减小转速、增加介质压力会导致动态特性系数增加,有利于提高动态追随性;减少槽数会提高动态追随性,且在槽数给定时,槽深17μm,槽坝比0.8,螺旋角22°的结构参数设定会得到更好的动态追随性。     

旋转柔性圆盘的气-固耦合振动

研究了旋转柔性圆盘与周围气膜之间的耦合振动问题.首先给出了基于润滑理论考虑了柔性圆盘振动影响的气膜压力分布的Reynolds方程,以及考虑了盘的旋转离心力、弯曲刚度和气膜压力影响的旋转柔性圆盘的运动方程,然后用有限元对气膜压力方程及旋转柔性圆盘的运动方程进行了离散化,用数值方法求解了旋转柔性圆盘运动与气膜压力的耦合方程,研究了旋转柔性圆盘的气-固耦合振动特性,讨论了周向静载荷的大小、载荷施加位置和气膜厚度对旋转柔性圆盘振动响应的影响.结果表明,周向静载荷的位置对旋转柔性圆盘的振动有很大的影响.一般情况下,周向静载荷越靠近盘的外缘,柔性盘的振动就越大;气膜越厚,柔性盘的振动越大.     

高压容器双锥环密封性能的研究

针对高压容器双锥密封结构实际应用中泄漏事故,从高压容器双锥密封结构密封机理,关注双锥密封结构密封比压,提出了拐点压力和最小密封比压的概念。分析了操作工况主螺栓载荷计算、主螺栓预紧力计算,进而推导了双锥密封结构操作工况回弹量和密封比压公式,求出了双锥环与端盖支撑面刚产生、尚未产生径向间隙的拐点压力和此时的最小密封比压,并与有限元分析结果进行比较,两者结果相当一致,并建议GB150对最小密封比压进行校核。     

倾斜状态下静压油垫承载性能研究

静压转台具有摩擦系数小、承载能力强、使用寿命长等优点。但其在使用过程中受载及变形情况复杂,而转台倾斜或自身变形时油膜厚度的不均分布与油垫承载能力之间的规律依然不明晰。该文根据微元法建立一种引入转台倾角的雷诺方程,用倾角描述转台导轨面与支承油垫封油边的不平行程度,从而计算出油垫各处的油膜厚度,然后基于有限差分法求解出不同倾角时定量式支承油垫的油膜压力分布状态以及油垫的油腔压力和承载能力,并得到油腔工作参数及性能随倾角的变化规律,为静压转台支承分析和油膜失效判定提供基础。     

西气东输管道裂纹的韧性减速机理研究

将动态断裂力学的基本原理、基本方法和止裂判据与壳体动力学的有限元方法相结合,形成了求解输气管道裂纹扩展问题的数值分析方法。对于高韧性钢,塑性功卸载引起的热耗散不可忽略。为此根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程,在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中以材料的热耗散比率为主要构成的动态断裂韧性由实验测得,在计算中作为裂纹扩展速度的函数代入,形成韧性减速机理。为了给出计算需要的参数,推导了双试件DWTT法测定热耗散比率的公式。     

饱和软粘土中沉桩后桩周土体固结分析

假定沉桩过程是一个平面应变圆孔扩张问题, 采用了修正剑桥模型, 给出了软粘土中沉桩过程后初始时刻超孔隙水压力沿桩径分布的解析函数, 并与Cao 等人的数值解以及Gibson 提出的公式进行了比较。根据土骨架的弹性位移特性以及水流的连续性条件, 得到了桩周土体固结的控制方程。运用分离变量法并结合边界条件以及初始条件得到了桩周土中超孔隙水压力消散的级数解答, 该解答可以作为孔压静力触探反求固结系数的一个理论依据。通过2 个算例分析了土体的应力历史以及刚度对桩侧超静孔压消散的影响;算例分析表明, 随着超固结比的增大, 归一化后的塑性区半径以及桩侧超孔隙水压力均在减小;桩侧的超静孔压消散前期较快, 后期较慢。     

High-performance lift augmentation dynamic seals for turbine bearing compartments

Conventional bearing shaft seal systems used in gas turbine engines are often limited to a sliding velocity of about 100 m/s, differential pressure of 3 bar, gas temperature of 300°C and a seal life less than 8000 h. Advanced engines will require bearing shaft seal systems to operate up to sliding velocity of 200 m/s, differential pressure of 6 bar, gas temperature of 500°C and seal life in excess of 30?000 hours. For seals operating in these advanced conditions, a design with no rubbing contact will be required to achieve long life and reliability. A good validated approach is the use of a gas lift augmentation seal. The design objective for a seal of this type is to have the faces of the seal seek an equilibrium position to avoid any contact. The gap must be small enough to ensure a minimal air leakage, but it must be large enough to limit power dissipation, due to shear in the gas film, and face deformation by shaft displacement, misalignment and vibration. Dynamic seals for a bearing compartment have the following main functions: provide static and dynamic sealing in order to prevent oil leakage from the bearing oil compartment to the air compartment and consequently no oil smell pollution by the use of bleed air; control air leakage to the bearing oil compartment in order to improve performance of the engine and to reduce oil consumption; reduce volume of the oil tank and lubrication system and hence provide weight reduction; to operate in extreme conditions of temperature and with normal and reverse pressure; and reduce the mean time between overhaul (MTBO) and have a very long life. Techspace Aero and Burgmann have carried out design, development and testing of lift augmentation carbon seals and demonstrated that high life and performance levels of these seals are possible in a gas turbine engine environment.     

Research on Performance of a Rectangular Floatation Cushion with High Stiffness for a Pneumato-static Slideway

In this paper,a high stiffness rectangular floatation cushion with a variable-section pressure equalizing groove of an elastic membrane for a pneumato-static slideway is presented and designed in order to increase stiffness of the floatation cushion.Gas film pressure distribution and carrying capacity of the floatation cushion are studied through theoretical analysis and by using the overlapping stitching technique.The carrying capacity and stiffness were obtained by using the coupling procedure of the gas lubrication governing equation and elastic deformation of the membrane governing equation.The results of theoretical calculations can obtain a conclusion that the effect of the gas pressure makes the annular elastic membrane elastically deform that brings about changes of throttling area and pressure groove depth of the floatation cushion.It makes carrying capacity and stiffness of the new style floatation cushion markedly improve over the conventional flotation cushion.The new floatation cushion has a wider application and popularization of space.     

单金属密封的结构优化及其密封性能研究

针对油气田勘探中,复杂的钻井工况导致动密封工作性能极不稳定的问题,结合单金属密封结构和井底高压环境,利用有限元方法对单金属密封受压情况下的接触压力进行分析。用雷诺方程计算单金属动密封的泄漏率,以减小最大接触压力和泄漏率为优化目标,利用正交试验和F评价方法对单金属密封结构参数进行优化,得到密封结构参数对密封面接触压力和泄漏率的影响情况,并将每个水平数对应的优化目标计算结果分别取平均值,得到不同水平影响下接触压力和泄露率平均值的变化趋势,从而确定密封结构的最优水平值,并借助有限元仿真对优化前后的密封性能进行对比。最后根据优化前后的密封结构参数加工2套密封试件,进行密封实验。仿真分析和实验结果表明：高压工况下优化前的密封面内侧磨损严重,钻井液颗粒容易侵入密封面;而优化后密封面的最大接触压力有所降低,动密封面的最高温度和泄漏率明显降低。研究结果对改进单金属密封的工作性能、提高井下动密封的可靠性有重要的现实意义。     

莱洛三角形微孔织构化端面密封性能数值模拟

基于微孔型表面织构在改善机械端面密封性能方面的优势,提出了一种新型的莱洛三角形微孔表面织构,并利用数值模拟方法考察了莱洛三角形微孔织构化端面的密封性能。首先,在动环表面上分别设置圆形、三角形、莱洛三角形三种微孔表面织构。然后,利用GAMBIT软件进行3种微孔织构化密封端面模型网格划分,利用Fluent软件分析密封端面的流场特性并获得其流场压力分布。最后,总结出3种微孔织构化密封端面的开启力、泄漏率和开漏比随织构面积率、孔深、密封间隙、操作压力及转速的变化规律。结果表明：3种微孔织构化密封端面的开启力和泄漏率随着密封参数的变化具有相同的变化规律;当S_p＝10%,h_d＝3～4 μm,h_p<3 μm,p_i<0.3 MPa时,3种微孔织构化密封端面均呈现出较好的密封性能;相比于圆形、三角形微孔织构化密封端面,莱洛三角形微孔织构化密封端面具有较大的开启力和较小的泄漏率,同时具有较大的开漏比。研究成果可为微孔织构化机械端面的密封参数优化设计提供参考。