悬臂式柔性支撑柱面气膜密封力学性能研究

基于三维SolidWorks软件建立柱面气膜悬臂式柔性支撑结构模型,分析柔性支撑结构对柱面气膜密封结构稳定性的影响;采用单向流固耦合的仿真方法,研究悬臂支撑板厚度、支撑结构材料、悬臂支撑数量,以及气膜操作参数转速和压差,对悬臂式柔性支撑结构和浮环的最大变形、最大应力应变有影响。结果表明：随悬臂支撑板厚度增大,平均变形量和平均等效应力减小;随悬臂支撑板数量增加,最大变形量逐渐减小,最大等效应力先增大后减小;研究的铝合金、铍青铜、不锈钢及钛合金4种悬臂支撑板中,不锈钢材料悬臂支撑板的最大变形量最小,承受的最大等效应力最大;随着转速和压差的增加,悬臂支撑板最大变形量以及最大等效应力均逐渐增加。在研究范围内,柔性支撑结构可以减小浮环的变形量,浮环变形量小于最小气膜厚度,保证了密封结构稳定运行。     

柱面气膜密封CFD数值分析

建立柱面气膜密封的参数化模型,研究柱面结构对密封性能的影响。结果表明,随着偏心率的增大,柱面气膜密封的气膜浮升力、最大压力均增大,当偏心率为07时柱面气膜密封具有最佳的流体动压效应。研究偏心率为07时转速对柱面气膜密封性能的影响。结果表明,低速运行时,柱面气膜密封有微小的流体动压效应;当转速升高时,流体动压效应增强;当转速达到一定值时,流体动压效应趋于稳定。     

柱面气膜密封性能的CFD数值分析

建立柱面气膜密封的参数化模型,研究柱面结构对密封性能的影响。结果表明,随着偏心率的增大,柱面气膜密封的气膜浮升力、最大压力均增大,当偏心率为0.7时柱面气膜密封具有最佳的流体动压效应。研究偏心率为0.7时转速对柱面气膜密封性能的影响。结果表明,低速运行时,柱面气膜密封有微小的流体动压效应;当转速升高时,流体动压效应增强;当转速达到一定值时,流体动压效应趋于稳定。     

柱面螺旋槽干气密封流动场数值计算与试验验证

针对柱面螺旋槽干气密封中的单列螺旋槽结构特点,建立螺旋槽浮环气膜密封的数学分析模型。基于中心差分法和Newton-Raphson迭代法,进行压力控制雷诺方程和气膜厚度方程的求解,得到压力和气膜厚度分布及不同操作参数下柱面单列螺旋槽气膜的泄漏量,并分析工况参数对柱面螺旋槽稳态性能的影响。结果表明:泄漏量是随着偏心率和压力的增加而升高;当偏心率一定时,转速的增加,导致泄漏量下降;当转速一定时,压力的上升导致泄漏量的急剧上升,近乎线性分布。试验结果与理论分析结果相吻合,验证了理论模型和计算方法的正确性。     

螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究

由于干气密封端面间隙仅为3~5 μm,因而对端面流场气膜参数及其位移变化量的测试技术是个难点,同时也是研究干气密封系统稳定运行的关键点。基于Labview测试系统软件平台,通过编写测试程序建立干气密封端面参数测试系统,确定相应的测试技术,选用合适的传感器等硬件设备,采用必要的抗干扰措施,对影响端面密封性能的参数(泄漏量、功耗、膜压)和端面稳定性参数(膜厚及振动位移)进行测试,研究不同工况下压力和转速对端面参数的影响。试验表明：气膜压力、气膜厚度、泄漏量、功耗随着压力和转速的升高而增大;气膜和静环的位移量随着压力和转速的增加而减小;气膜的振动幅值很微小,特例中仅为0.04～0.16 μm,,说明静环追随动环性能较好;同时,气膜刚度随着压力和转速的升高而增加,反映出高压力、高转速下干气密封能够稳定运行。     

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。     

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。     

航空发动机气膜浮环密封上浮性能研究

为研究气膜浮环的上浮性能,针对航空发动机主轴承箱的气膜浮环密封系统,建立浮环的有限元模型并提出一种上浮转速的计算方法。采用Ansys建立密封组件的有限元模型,提取浮环与跑道的径向变形,得到浮环密封的动态间隙。采用Fluent建立浮环密封偏心气膜模型,提出浮环上浮转速与泄漏率的计算流程。在先增压至工作压力再增速和先增速到工作转速再增压2种操作条件下分析各结构参数、操作参数对浮环上浮转速的影响,并搭建试验台进行试验验证。结果表明:低压差下气膜浮环的泄漏率与偏心率呈近似二次关系,上浮力随偏心率增大而增大但会有一个畸变过程;在保证密封性能的前提下工程设计时应选取较小的波簧弹力,较大的节流长度。不同的操作方式下各密封参数对气膜浮环上浮性能的影响呈现很大的差异性,综合来说先增速后增压时上浮性能较好,有条件时开车前应先进行上浮性能的分析再选择操作条件施加的顺序。     

基于流固耦合的柱面气膜密封支撑结构性能研究

利用流固耦合分析方法,研究一种波箔结构柔性支撑柱面气膜密封,探讨气膜厚度、浮环与转子的偏心率以及柔性支撑结构的泊松比、弹性模量、波箔数量等参数对支撑结构等效应力及变形量的影响。结果表明:柔性支承结构满足柱面气膜密封的正常运作,不会造成因为气膜刚度过大而使得浮环与波箔发生破坏性变形,并且变形量远小于波箔高度;柔性支撑的等效应力和变形量随平均气膜厚度的增大而减小,随偏心率的增加而增大,随支撑材料泊松比的增大而增大;弹性模量的增加并不影响柔性支撑结构的等效应力,但是会使变形量减小;增加波箔数量,柔性支撑的等效应力略有减小,变形量显著减小。     

螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟

应用计算流体动力学分析Fluent软件对螺旋槽干气密封润滑气膜特性进行数值模拟,得到气膜流动场的压力分布、泄漏量、气膜开启力等特性参数;模拟数据与试验数据进行比较,并分析两者存在误差的原因。结果表明,随着转速、介质压力的增大,螺旋槽干气密封气膜压力、开启力、泄漏量也增大;该模拟方法的模拟结果与实验结果基本一致,可用于螺旋槽干气密封的优化设计。     

基于流固热耦合的浮环密封力学特性数值研究

考虑温度的影响,建立浮环密封力学特性流固热耦合数值求解模型,在验证计算方法准确性的基础上,研究浮环密封的流场特性,以及石墨烯、石墨、铝合金以及碳化硅4种材料的浮环密封在不同进口压力、温度时的力学特性。结果表明：浮环密封在偏心时,由于楔形间隙的存在,气流经过这种结构产生流体动压效应,在较薄的流体域一侧形成局部高压区,较厚的一侧压力无明显变化,而温度沿轴向方向逐级升高,且偏心率越大,偏心位置的温度越大;浮环密封流体域温度随着进口压力的升高而降低,因温度影响材料的属性,使得不同材料的浮环密封结构对温度会很敏感;不同材料浮环密封的变形量随进口压力的增加而减小,应变也随着进口压力的增加而减小;4种材料浮环密封的变形量与应力均随着进口温度的增加而增大。     

超临界二氧化碳干气密封热-流-固耦合建模与变形特性分析

为研究超临界二氧化碳干气密封密封环的变形分布,揭示工况条件对密封环变形的影响规律,在考虑CO_2真实气体效应的同时,建立考虑密封环对流换热的热-流-固耦合计算模型,借助CFD和CSM计算机仿真技术,研究超临界二氧化碳干气密封动、静环在多重载荷共同作用下的变形规律。研究结果表明:密封环轴向最大热-流-固变形出现在耦合面,热变形和力变形方向相反,其中热变形起主导作用;转速增大,密封环最大轴向热变形和力变形增大,动环最大轴向热-流-固耦合变形减小;介质压力增大,动环和静环最大轴向力变形分别增大66.25%和6.18%,最大轴向热变形和热-流-固耦合变形均减小;进口温度上升,动环和静环最大轴向热变形分别增大40.79%和34.90%,最大轴向力变形基本不发生改变。     

螺旋槽干气密封端面流场分析

采用有限元法对干气密封端面间流场进行了分析,得到了动环旋转时的气膜、槽区以及坝区流场的压力及速度分布,对计算结果与Whipple螺旋槽窄槽理论计算进行了比较.有限元分析结果表明气膜层受螺旋槽的泵入和离心惯性力的双重作用,槽区气体沿径向存在速度梯度,从而引起能量损失,使密封端面的气膜压力下降,影响气膜刚度及密封组件的泄漏量.     

力载荷下分瓣式碳环密封结构变形研究

为探究力载荷下分瓣式碳环密封结构参数对密封面径向变形的影响规律,采用数值计算求解压力控制雷诺方程,获得气膜压力,再结合有限元分析软件进行流固热耦合仿真模拟,探究特定工况下不同结构参数对碳环变形的影响,分析主密封面径向变形特性。研究表明：力变形中,防转销的安装位置对碳环径向变形量影响最大,选取恰当的安装位置可减小径向变形量;外部凸结构不均匀且圆心角比例较大时,径向变形量较小;两侧搭接口比例越大时径向变形量越小;拉紧弹簧和压紧弹簧的选取对碳环径向变形量影响较小;弹簧压力越大时径向变形量越小,但弹簧压力过大时,容易导致碳环磨损加剧、断裂甚至密封失效,应参考实际工况选择适当弹簧压力。研究结果为分瓣式碳环密封的结构优化设计提供参考。     

变工况机械密封热力耦合特性分析

基于已设计的变工况机械密封为研究对象,建立机械密封二维轴对称模型,采用有限元的方法对变工况下接触式机械密封的动环、静止环进行热力耦合计算,分析密封环端面温度以及密封环端面轴向变形随介质压力和转速的变化规律,并进行试验验证结构设计合理性.结果表明:密封环端面的温度和最大温差,随着介质压力和转速的增大而增大;该结构的密封在...     

T型槽柱面气膜密封CFD数值分析

阐述了柱面气膜密封的性能特点,用Proe建立了无槽模型、T型槽模型,用专业网格划分软件Hypermesh划分网格,在Fluent中分析了操作参数对2种柱面气膜密封的影响,结果表明T型槽结构具有更好的动压效应,转速、介质粘度和压差等操作参数对柱面气膜密封性能有较大影响。     

基于CFD方法的螺旋槽浮环密封性能分析

建立了螺旋槽浮环密封计算模型,提出了划分区域网格的方法,并确定边界条件.应用CFD-Fluent软件,计算了密封间隙流场速度压力分布,分析了各种工况对泄漏量、浮升力的影响,并与普通浮环密封进行了比较.结果表明:螺旋槽结构具有良好的动压效应,并且流场内出现明显的回流现象;轴颈转速、压差对泄漏量、浮升力影响显著.     

超临界二氧化碳微尺度干气密封性能分析

为研究超临界二氧化碳干气密封的密封性能,在考虑实际气体效应、惯性效应和湍流效应的情况下,利用Solidworks软件建立一个周期的螺旋槽计算域几何模型,导入ICEM软件进行结构化网格划分,采用REFPROP软件获取超临界二氧化碳物性相态数据,并将这些物性参数编译成CFD的计算程序对超临界二氧化碳干气密封流场进行数值模拟。研究结果表明:在干气密封中超临界二氧化碳的密度和黏度从外径到内径先升高后降低,在槽根部最大,而温度沿外半径到内半径的方向逐级递减;随着螺旋槽深度的增加开启力先增大后减小,而泄漏量随着槽深单调增加,其中槽深对开启力的影响较小,对泄漏量的影响较大;转速的增大使气膜开启力和泄漏量均单调增加,而气膜间隙的增加使气膜开启力减小,泄漏量增加。综合考虑密封稳定性,当气膜厚度为3.05μm、槽深为5.05μm时,研究的超临界二氧化碳干气密封的整体密封性能达到最佳。     

指尖密封流动与变形三维双向耦合分析

针对指尖密封提出泄漏流动和固体变形的三维双向耦合计算方法。该方法采用多孔介质模型计算密封片组泄漏流场,将流场计算得到的压力分布加载到有限元模型上进行密封的固体变形计算,再根据变形计算结果更新多孔介质模型参数,重新计算泄漏流动;如此重复,直至泄漏流动和固体变形计算均达到收敛。采用该计算方法,对不同压差下指尖密封的泄漏流动与固体变形进行计算。计算结果表明：流动与变形的耦合计算经过3次迭代达到收敛;指尖密封结构的压降、泄漏及变形主要发生在指尖靴区域,密封片组的最大变形主要取决于径向变形;当上下游压差从0.1 MPa增大至0.5 MPa,密封片的最大径向变形增大约2%,最大轴向变形增大约400%,泄漏量增大约130%。     

机械密封腔流场内粒子对密封腔壁面及波纹管冲蚀分析

为研究机械密封腔内混有固体颗粒的流体,在复杂工况下对密封腔壁面及波纹管表面冲蚀的影响,以CFD理论及方法,采用k-ε湍流模型和离散项DPM模型,对固液混合流场进行模拟分析,获得密封腔内流体中介质作用下密封腔壁面及波纹管外表面的压力场分布,分析不同工作状态下固体颗粒作用下密封腔内壁和波纹管外表面的冲蚀区域分布、固体颗粒在流场中的运动轨迹,以及机械密封工作过程中流场内固体颗粒的逃逸量、运动状态的变化。结果表明:粒子主要受颗粒阻力、浮重力、压力梯度力及波纹管和密封腔表面反作用力的影响;在旋转流场中,粒子作与旋转方向一致的螺旋方式前进;无转速时,冲蚀多发生在靠近入口处的波纹管外表面,旋转流场中,冲蚀多发生在密封腔靠后位置的壁面;随着转速增加,粒子逃逸率下降。研究结论为机械密封腔的设计布局及机械密封装置的优化提供理论依据。