端面周向波度密封中流场的数值模拟

建立端面周向波度密封密封端面间液膜流场的数值模型,采用计算流体力学软件FLUENT对密封间隙中的液膜进行三维数值模拟,得到液膜流场的压力分布,求得密封的泄漏量、开启力和刚度等密封特性参数,分析密封几何参数(如波幅、波数、密封环坝区的宽度与密封环宽度之比)对密封性能的影响.结果表明:随着液膜厚度的增加,开启力减小,泄漏量增大;密封几何参数对密封特性参数的影响存在一定的规律,如波幅越大、波数越多,密封环端面的流体动压效应越明显,而随密封环坝区的宽度与密封环宽度之比的增加,开启力、泄漏量和刚度都减小.     

不同T形动压槽液膜密封性能对比分析

针对T形槽机械密封摩擦副密封环端面间的液膜密封性能问题,建立了收敛形、直角形和发散形3种形式的动压槽液膜几何模型;并对3种不同形式动压槽的液膜流场进行了数值计算,得到了对应端面流场的压力分布。讨论了不同工况对3种槽形结构密封性能的影响并进行对比分析。结果表明:3种槽形结构的端面液膜压力分布规律相同,端面液膜压力均在左侧槽底部达到最大值,且动压槽两侧具有明显的压差,能够产生明显的动压特性;3种槽形结构的开启力和泄漏量均随着转速和压力的增大而增大,其中压力对密封性能的影响相对于转速对密封性能的影响较大;发散形槽比直角形和收敛形槽具有更强的动压特性,且拥有较高的开启力和较低的泄漏量,从而具有较好的密封性能。     

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。     

流体静压式核电站主泵二级密封由接触式到非接触式转变的密封性能分析

利用ANSYS对流体静压式核电站主泵密封的第二级密封动环组件建模,计算得到密封环在高压下的变形情况,通过Fluent对核电站主泵第二级密封在高压情况下端面流场建模,得到密封端面流场的压力分布、速度场及密封的开启力和泄漏量.计算模拟了机械密封环的端面变形及机械密封由接触式机械密封转变为非接触式机械密封过程.结果表明,核电站主泵的第二级密封的动环组件在第一级密封失效的情况下会通过变形形成收敛面非接触型机械密封,并能在工况要求的情况下正常工作.     

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.     

热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响

针对核主泵用流体静压型机械密封在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,通过建立收敛台阶端面流体静压型机械密封的稳态传热模型,并考虑流体粘度随压力、温度的变化,建立端面流体膜压力和密封环温度的控制方程,采用有限差分法求解各控制方程,采用有限元法求解密封环热、弹变形,对密封进行流、固、热耦合分析,研究热弹变形对密封性能的影响;同时改变操作参数,研究端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等随之产生的变化规律.结果表明,端面的弹性变形大于热变形;热弹变形的综合影响使端面由外径向内径形成收敛间隙,导致开启力、泄漏率和液膜刚度增加;动环角速度越高,流体温升越大,端面热变形越明显,泄漏率越大;流体注入温度越低,温粘效应越显著;流体注入压力越高,热弹变形量越大,密封端面平衡间隙亦越大.     

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。     

弹性变形对泵用高速波度端面机械密封液体泄漏特性的影响

高参工况下密封环的弹性变形在一定程度上会影响密封性能。以波度端面机械密封为研究对象，考虑空化效应和弹性变形，对高速波度端面机械密封液体泄漏特性开展理论研究。采用有限差分方法数值求解密封的压力分布、开启力和泄漏量，重点分析密封端面波度几何参数以及密封工况参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果表明：高速工况下波度密封端面空化加剧以及端面变形，使得密封端面承载力减小；当表面波度幅值较小时，考虑弹性变形时的密封开启力大于不考虑弹性变形时的密封开启力，而表面波度幅值大于0.2μm之后，两者呈现相反的结果；考虑弹性变形时的密封泄漏率则均大于不考虑弹性变形时的密封泄漏率；在弹性变形影响下，波度端面机械密封的密封性能主要受密封压力和密封间隙的影响；随着密封压力的增加，密封泄漏率增加；随着密封间隙的增加，考虑弹性变形前后的泄漏率差值逐渐减小。在文中计算条件下，弹性变形使得密封泄漏率增加可达50%以上。     

激光加工多孔端面机械密封变形的数值分析

针对离心泵用激光加工多孔端面机械密封,通过采用有限元法求解雷诺方程获得密封端面流体膜压分布,计算了不同约束、不同结构动、静密封环的力变形以及端面泄漏量、液膜刚度和刚漏比等密封性能参数,分析了变形对密封性能的影响。结果表明:端面变形对密封性能影响很大,将导致泄漏量增大,刚漏比减小;密封环的约束对变形起着重要作用,选择合适的约束可以减小密封面转角,提高液膜刚度,增强密封工作稳定性。     

静压式干气密封温度场数值模拟及试验研究*

密封环端面温度是影响静压式干气密封性能的重要因素,可以直接表征密封的工作状态。采用有限元分析软件,通过求解传热方程的方法,建立静压式干气密封环的温度场分析模型,分析异常接触条件下与正常工作条件下密封环端面的温度分布及特点。结果发现：异常接触条件下的密封环端面温度比正常工况条件下高约766%;膜厚增加会使密封环端面温度小幅下降,转速增加会使密封环端面温度大幅升高;腔体压力升高会使端面温度小幅下降,腔体温度升高也会使端面与腔内温差增大。分析温度场对密封性能的影响,发现随着温度的增加,密封开启力缓慢增加,而泄漏量和刚度均有所下降。提出通过温度监测的方式对密封运行状态进行实时监控的方法,并通过试验验证了该方法的可行性。     

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。     

跨尺度复合织构化摩擦副端面密封性能分析

在密封副的表面上引入大尺度的凹槽与小尺度微孔结合的跨尺度复合织构,提出椭圆形微孔与T形槽结合的复合织构化机械密封端面,并创建间隙液膜流体模型;根据质量守恒空化边界条件建立数学模型,采用有限单元法进行数值求解,研究不同长短轴比的椭圆微孔分别与T形槽复合对密封性能的影响,确定最佳复合构型;对比分析不同工况参数下,不同织构化端面密封的开启力、泄漏量等密封性能的变化规律。结果表明：最佳复合构型为长短轴比1.8的椭圆微孔与T形槽复合,在相同工况参数下,相较单一织构,跨尺度复合织构化端面密封具有更强的动压润滑效应、更低的泄漏量、更高的开启力,综合密封性能最好。研究结果可应用于机械密封织构化摩擦副端面的设计及优化。     

牵引绳用调控式高压往复密封性能研究

采用ABAQUS软件对牵引绳用调控式往复密封装置在高压环境下的密封性能进行有限元分析,获得密封组件与牵引绳的应力分布及变形情况,分析调控压力与介质压力对密封泄漏率及摩擦力的影响规律。设计搭建主密封试验装置并进行试验验证。结果表明:采用合理的调控压力与密封结构设计可以实现较好的接触应力分布,显著地减少密封泄漏;随着调控压力的增加,密封泄漏率先迅速下降,而后缓慢下降并逐渐趋于稳定,当调控压力大于介质压力的1.3倍时,泄漏率接近于0;增加调控压力导致摩擦力呈现先缓后急的增长趋势;介质压力对密封环具有开启作用,能够降低流体膜压力而减小摩擦力;工程应用中,维持调控压力比介质压力高出0.2～0.5 MPa时密封效果最好。     

表面波度对液体椭圆孔端面密封上游泵送特性的影响

表面波度与端面几何型槽的耦合影响使得密封性能的变化规律更为复杂。基于粗糙和波度表面假设,建立空化效应下端面椭圆孔液体上游泵送密封的理论分析模型,对上游泵送端面密封的压力分布和泄漏率进行数值求解计算,分析周向表面波度幅值、数量等几何参数和转速、密封压力等操作参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果显示：表面波度使得密封端面产生更高的流体动压效果,并减弱上游泵送效果,容易导致密封介质的泄漏;随着波高和周向波数的增加,开启力略有增加;泄漏率随着波高的增加呈现正向增强趋势,但波数对泄漏率没有明显影响;在空化效应和表面波度的影响下,速度剪切产生的密封端面开启力可增加50%以上,并形成流体的完全上游泵送;密封压力和膜厚的增加,使得流体的上游泵送性能和密封性下降。     

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。     

内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明:圆弧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;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。     

超高速涡轮泵机械密封热弹流润滑特性研究

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明：超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。     

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。