机械密封端面液膜分析

分析了机械密封的端面液膜与密封寿命的关系,以及端面温度对端面液膜的影响,并提出了保护端面液膜的主要措施和解决方案.     

动压型机械密封端面液膜相变理论研究进展

随着动压型非接触式机械密封应用领域的扩展和运行工况的复杂化,液膜相变成为影响其工作稳定性和可靠性的关键因素之一。针对端面液膜汽化和液膜空化2种相变类型,分析汽化和空化现象的产生机制,介绍常见的几类相变模型,如Thermal Lattice Boltzmann模型和Zwart-Gerber-Belanri模型等,综述端面型槽结构参数和工况参数对液膜相变程度影响规律的研究进展。指出在相变影响的研究方面,目前的研究主要集中在单因素对槽结构参数或工况参数的影响上,而对多因素综合影响的研究还不够深入。提出液膜相变问题未来可能的发展方向：汽化与空化综合作用理论计算模型的创新、极端工况下液膜相变与密封稳定性的关联、相变监测技术的突破。     

工况参数对机械密封液膜汽化特性及性能的影响

为了研究动压型机械密封液膜汽化特性和密封性能,建立了涉及水的饱和温度与压力的关系、黏温效应以及牛顿流体内摩擦效应的密封间隙液膜汽化计算模型,以螺旋槽机械密封为例分析了工况变化对液膜汽化特性及密封性能的影响规律。研究结果表明：介质温度升高时,存在平均气相体积分数突增的临界温度值,且随转速的增大临界温度值增大;介质压力和转速的增大对汽化有抑制作用,转速增大易使较高的汽化程度迅速降低且在某转速值处出现突变点,介质温度升高使得突变转速值增大;密封性能受工况变化的影响明显,特别是在汽化临界温度值、突变转速值处性能的变化速率迅速增大;液膜汽化首先发生在螺旋槽背风侧堰区,且随介质温度升高快速覆盖槽堰区并向坝区推进;随着转速的增大,润滑膜气相的周向分布更加均匀且高汽化区域会向外径侧移动。     

部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分布的理论研究

建立了研究部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分布规律的理论模型,应用有限差分法求解了端面液膜压力的Reynolds控制方程,获得了端面液膜压力分布规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比.研究了微孔密度Sp和微孔深径比ε对端面液膜压力的影响规律.结果表明:部分端面微孔机械密封的端面间液膜压力比端面全微孔的小;端面间液膜沿半径方向的最大压力降发生在孔区域结束处;端面液膜压力值最大值所对应的微孔密度Sp≈0.2,深径比ε≈0.02.     

机械密封端面T形槽液膜压力脉动特性分析

针对机械密封端面液膜流场的压力脉动,以机械密封端面T形槽液膜为研究对象,进行了机械密封摩擦副端面液膜微尺度区域的压力脉动特性分析。基于流体润滑理论,建立了机械密封端面T形槽三维液膜模型。求解端面液膜流体雷诺方程,计算分析了不同工况下端面液膜的压力脉动特性和频谱特性,探讨了端面流场压力周期性变化的影响因素。结果表明:在不同转速下机械密封端面液膜流场压力均呈现周期性脉动,压力脉动的振幅沿T形槽槽区径向方向增大;端面液膜的开启力受到槽区和非槽区动静干涉的影响;端面液膜流场压力脉动受到主轴转速和槽数的影响。     

基于CFD的端面空化对液膜密封稳态特性影响研究

基于满足质量守恒的空化模型,利用CFD FLUNET软件建立螺旋槽液膜密封端面三维模型,探讨螺旋槽结构参数对密封端面空化产生的影响规律,分析端面空化对密封端面间流体膜的开启力、液膜刚度、泵送率等的影响。结果表明:以液膜中气相体积分数变化为判据,空化效应随槽深和槽数的增加而增强,随槽径宽径比的增加呈现先增强后减弱的趋势,但随螺旋角的增加而减弱;考虑空化效应后,液膜开启力和泵送量的数值与未考虑时有所降低,但变化趋势基本一致,而液膜刚度在一定的螺旋槽结构参数范围内波动较大,影响液膜的稳定性。因此,端面空化易导致密封失效。     

深海机械密封端面摩擦及变形特性研究

以深海推进器等水下设备用机械密封为研究对象,建立机械密封环模型,考虑深海变工况下接触端面摩擦因数的差异性,采用分离法分别对机械密封动、静环端面进行热-力耦合变形分析,并对分别考虑密封环热变形、力变形、热-力耦合变形的分析结果进行比较。结果表明:接触端面摩擦因数大小与介质压力、转速、液膜厚度等因素有关,端面摩擦因数随介质压力增大而减小,随转速增大而增大,随液膜厚度增大而减小;单一力变形、热变形分析与热-力耦合变形分析结果差别较大,热-力耦合分析结果要比单一变形分析更接近实际、分析更准确;瞬态工况下,端面温度及端面接触应力峰值均出现由外向内的变化趋势,端面接触状态受端面温度分布影响明显。     

槽参数对高温密封汽液固流动特性及性能的影响

以高温动压型机械密封为研究对象,基于Eulerian多相流模型和蒸发冷凝模型,建立涉及高温汽化、固体颗粒、黏温效应及牛顿流体内摩擦效应的动压型机械密封润滑膜汽液固三相流动模型,模拟研究槽深、槽宽比、螺旋角及槽径比对润滑膜汽化、固体颗粒分布规律及密封性能的影响关系。研究表明：润滑膜固体颗粒体积分数随槽深、槽径比的增大而增大,且在槽宽比为0.5时出现最大值,而固体颗粒体积分数随螺旋角的变化规律与转速有关;润滑膜平均汽相体积分数随槽深的增大而减小,随螺旋角的增大而增大,槽宽比为0.7时平均汽相体积分数出现最大值,槽径比在0.3以上时平均汽相体积分数随槽径比的增大而增大;槽深8 μm时润滑膜汽相、固体颗粒相出现突变,槽深低于8 μm时处于气相较高、固体颗粒相较小状态,槽深高于8 μm时则相反;基于汽液固流动的密封性能分析表明,选用9 μm左右的槽深、0.6左右的槽径比、16°～20°的螺旋角、0.3~0.4的槽宽比时对密封性能有利,采用8 μm以上的槽深及小于0.5的槽宽比时,转速较高时选用较小槽径比、转速较低时选用较大槽径比时有利于抑制汽化。     

高温泵用液膜密封黏温特性数值研究

本文利用FLUENT软件建立了高温泵用液膜密封模型,分析了考虑黏温效应时液膜密封的特性研究,以及了在黏温效应的影响下,开启力、刚漏、及摩擦功耗随着转速和压力比的变化规律,发现考虑黏温效应与不考虑黏温效应两种情况下得出的计算结果差距明显,黏温效应的影响至关重要.此结果可为高温泵液膜密封的结构设计提供相关参考.     

船舶艉轴双端面密封端面热-力耦合变形及影响因素分析

针对在深海湖泊等复杂极端工况下船舶艉轴由于密封端面变形产生过大间隙,导致泄漏的问题,通过建立船舶艉轴热-力耦合分析模型,分析不同工况下,3组典型密封端面材料组对（YNW8-M106D、SiC-M106D、S30408-M106D）的密封环端面温度、应力及变形变化规律;分析海水环境下材料、转速及弹簧比压等主要影响因素及密封端面变形的影响及影响程度和权重。结果表明：转速升高100%,使得密封端面温度、应力及变形增加35%,43%及49%,弹簧比压升高100%,使得密封端面温度、应力及变形增加17%,5%及14%,应限制其最大值,防止密封失效;材料的热膨胀系数及导热系数对密封端面的影响最大,合理选取动静环材料有利于减少端面变形;选取出适合转速400 r/min、弹簧比压0.2工况下的最优材料（Si C-M106D）配对,使得船舶艉轴平衡可靠并长寿命运转。本文的模型和计算方法可为船舶艉轴密封结构的设计提供参考。     

镶装式机械密封端面变形加速方法的数值研究

针对镶装式机械密封长期贮存过程中存在的端面变形的问题,建立了ANSYS有限元模型,对镶装式机械密封的偏心缺陷进行了研究,对温度循环加速方法加速镶装式机械密封端面变形的效果进行了探究。采用Bailey-Norton蠕变方程,分别对正常和存在偏心缺陷的镶装式机械密封进行了数值分析,得到了自然贮存条件下镶装式机械密封端面变形与偏心缺陷的关系;在蠕变方程基础上,模拟温度循环加速过程,得到了镶装式机械密封端面变形与温度循环区间的关系。研究结果表明:存在偏心缺陷的镶装式机械密封端面马鞍型变形比正常的明显,峰谷差值大于正常镶装式机械密封;温度循环加速过程中,镶装式机械密封端面变形有所增加,且比自然贮存条件下的变形要大,说明温度循环加速方法加速效果明显。     

旋转式压力能交换器密封端面液膜压力和泄漏量的数值模拟

旋转式压力能交换器是利用正位移原理进行流体压力能利用的装置.为全面了解其端面密封特性,基于N-S方程和SIMPLEC算法,在不同端面间隙和流量下,对密封端面流场进行了数值模拟,考察了密封压力和端面泄漏的变化情况.结果表明:转子转速对端面泄漏量没有影响,端面间隙内的流动为层流时,可以获得较为稳定的液膜压力;端面密封性能随着间隙的增加迅速恶化,当间隙超过0.03 mm后,即丧失密封能力.     

柔性端面气膜密封流场分析及密封特性研究

提出一种航空发动机主轴承端适用密封——柔性端面气膜密封.通过对三种密封端面变形情况下的压力控制方程进行求解,获得密封气膜微尺度流场特性的演变规律,并探讨关键密封性能参数与工况条件的相关性.研究结果表明:柔性端面在带压气膜的作用下发生变形,其中波箔片的变形起主导作用,平箔片的影响可忽略不计;相较于刚性端面,柔性端面可有效...     

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。     

核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展

核主泵是核电厂的核心元件,核主泵机械密封在其中起到防止介质泄漏的作用。当前,我国核主泵密封装置相关技术和产品受到国外垄断限制,核主泵摩擦副在运行状态下泄漏严重破坏核电系统的稳定运行和长周期服役,其摩擦学性能直接影响核主泵的运行性能。对于动压式核主泵机械密封,若没有处于完全液膜润滑状态,密封装置会出现异常磨损和泄漏率增大导致核主泵故障。针对核主泵摩擦副的液膜特性,从数学模型计算和软件仿真两方面分析。对温度场、速度场和应力场等进行分析,总结了密封环及副密封材料、端面热变形对摩擦学性能的影响,概述了端面形状的动压润滑机理及波度面、槽型结构和加工方法等因素对摩擦磨损的影响,为核主泵密封性能的提高和可靠运行提供理论基础。     

双列螺旋槽液膜密封的相变流动特性

为研究高速、低温工况下的液膜密封气液两相流现象,基于均相流体理论,构建了液膜密封相变模型,分析了流体膜两相流动特性和工况参数对相态转变的影响.结果表明:流动空间发散是槽区相变的主要因素,相变的吸热散热导致温度场显著变化;转速升高时,流体动压增强,温度升高,相变范围扩展,相变速率增大;介质温度升高使流体动压减弱,汽化吸热...     

涡动对液膜密封空化及动压性能影响

为进一步探索涡动现象对液膜密封性能影响,基于满足质量守恒的Schnerr-Sauer空化模型,建立螺旋槽液膜密封涡动模型,探讨密封环涡动半径、涡动速度对液膜密封空化分布及密封动压性能的影响。结果表明:涡动半径对液膜承载能力和泄漏量影响较小,但显著影响液膜空化率和倾覆力矩,尤其是正向涡动时;涡动速度对液膜空化率和密封动压性能影响显著,正向涡动时具有促进作用,反向涡动反之;在相同工况时,正向涡动对密封动压性能的影响好于反向涡动的影响。     

双列螺旋槽液膜密封相变特性分析

考虑由动压槽造成的端面压力变化所带来的影响,探讨双列螺旋槽液膜密封的相变特性。基于均质混合物理论建立液膜密封相变模型,使用有限体积法对控制方程进行离散,分析液膜相变对密封性能及端面压力分布的影响。结果表明:相变发生后黏度明显降低,导致外侧螺旋槽挤压效应与泵送能力减弱,在其与相变的耦合作用下,开启力先减小后增大,泄漏量先增大后减小,相比于全液膜时密封性能有所下降;内侧螺旋槽产生的高压抑制了相变,压力分布规律未发生变化,外侧螺旋槽内相变区域较大,压力变化趋势明显改变。