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。     

LaserFace液体润滑端面密封性能研究

LaserFace液体润滑端面密封(LF-MS)能提供全膜润滑,密封寿命得到延长,可以应用于几乎所有清洁液体介质润滑的场合,特别适用于易汽化介质等苛刻工况。针对LF-MS,采用混合接触理论,建立了其二维数学分析模型,通过液膜压力分布和液膜速度场的分析揭示了LF-MS的工作机理,对比分析了等深和变深动压槽LF-MS、普通平面端面密封及含矩形引流槽端面密封等4种不同端面结构机械密封的性能。结果表明:LF-MS具有端面动压效应好、摩擦系数低及液膜刚度高的优点,综合性能明显优于普通端面密封和含矩形引流槽端面密封,且与等深动压槽相比变深动压槽对提高LF-MS的密封性能作用明显。     

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。     

上游泵送机械密封在真空装备中的应用

研究了上游泵送机械密封在真空装备轴封中的应用.该类机械密封动环端面的螺旋槽具有泵送效应,可将真空侧的阻塞介质向大气侧泵送,从而阻止外界空气向真空腔内渗透.设计了真空腔体的外装式和内装式轴封结构,分别研究了动环端面外侧和内侧开螺旋槽时液膜的压力分布规律.研究表明,低转速条件下,螺旋槽深度对液膜压力分布的影响显著.合理设计螺旋槽的槽形参数,可实现空气的零渗透,且仅伴随微量的阻塞介质泄漏.     

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。     

端面粗糙度对螺旋浅槽机械密封液膜空化的影响

以螺旋浅槽上游泵送机械密封为研究对象,对端面粗糙度进行近似模拟,同时建立涉及表面粗糙度和液膜空化的间隙润滑膜流动计算模型,模拟分析端面不同部位粗糙度对密封液膜压力分布和空化的影响。研究表明：密封端面粗糙度会使液膜高压区压力提升、范围扩大,且粗糙度越大越明显,其中,动环非槽区粗糙度影响最大,静环端面粗糙度影响次之,动环槽区粗糙度影响最小;低转速(如1 000 r/min)时,无论端面粗糙与否,螺旋槽和粗糙微元均未导致液膜空化;较高转速时,位于较低膜压区的粗糙微元会导致液膜微观空化,动环槽区粗糙度对液膜宏观空化有一定的抑制作用且粗糙度越大抑制作用越明显,动环非槽区粗糙度导致膜压升高、空化区域收缩,静环端面粗糙度对液膜空化的影响相对较小;动、静环全端面粗糙时对空化的抑制作用比任何局部粗糙时强,且转速越高越明显。     

螺旋槽动压密封液膜汽化相变性能优化分析

针对螺旋槽动压密封液膜发生汽化相变后,严重影响密封运行的可靠性和稳定性的问题,基于密封端面液膜汽化相变,建立了其数值计算模型。采用了以泄漏量和开启力两个密封性能参数为优化目标,螺旋角、槽数、槽深、槽坝比和槽堰比5个密封端面结构参数为变量的五因素、五水平的正交优化试验方案;研究了密封端面液膜汽化相变下,不同密封端面结构参数对密封性能的影响规律。研究结果表明:密封结构参数对泄漏量和开启力的影响灵敏度不同,设计的正交试验方案可以有效地对密封性能进行优化,可为此类工况下的密封装置的结构优化设计和实际操作提供参考。     

螺旋槽机械密封的可控性

螺旋槽机械密封动环和静环端面间的液膜厚度为微米级,易受外界干扰而破溃、失效.基于液膜流动、密封环传热和热变形的耦合分析,确定与闭合力对应的液膜几何尺寸,得到密封环温度与泄漏率.将静环内侧温度和泄漏率作为反馈参数、闭合力作为调节参数,建立螺旋槽机械密封的控制方法.依据该方法,结合反馈、调节机械系统,可实现螺旋槽机械密封的可控性运行,从而可以提高螺旋槽机械密封的变工况适应能力.     

端面内侧开螺旋槽机械密封性能的实验研究

通过实验方法测量研究了端面内侧开螺旋槽液体润滑机械密封端面间的液膜压力,液膜形成的开启力和摩擦功耗。其实验结果与相应的理论计算结果吻合。     

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。     

"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。     

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。     

航空发动机轴承腔气液两相润滑机械密封性能分析

针对航空发动机轴承腔气液两相环境非接触式机械密封启动过程的磨损问题,提出高压侧具有引流槽、可实现零泄漏的润滑密封端面结构。基于雷诺方程建立润滑膜流场分析模型,求解计算具有动压-润滑组合槽的机械密封性能,并与普通螺旋槽机械密封进行了性能对比,讨论高压侧引入润滑槽对液膜厚度、液膜刚度、泄漏率以及摩擦性能的影响规律,通过高速性能试验及摩擦磨损试验验证计算的准确性和端面的减磨效果。端面结构在低速阶段的接触摩擦试验显示,具有组合槽的密封端面在相同的启停工况下端面摩擦因数可以有效降低50%～75%,高速性能试验结果显示,具有组合槽和仅有动压槽的机械密封在工况范围内均能保持理想的负泄漏率,说明气液两相润滑机械密封能够在工作环境中处于理想的泵送状态,实现了对润滑油的绝对密封效果。外侧深槽与动压浅槽组合的机械密封端面结构可以显著改善端面摩擦磨损状况,可为高速和超高速轴承腔气液两相机械密封端面减磨优化设计提供参考。     

高速深冷介质动压密封液膜汽化相变性能分析

动压密封端面间液膜发生汽化相变,直接改变了端面间的流体润滑方式,对密封的稳定性产生重要影响。建立了液膜汽化相变数值计算模型,研究了不同工况和结构参数对液膜汽化相变程度和区域的影响,分析了液膜汽化相变后密封性能的变化规律。结果表明:工况和结构参数对液膜的汽化相变有着不同程度的影响,随着转速、压力和槽深的增加,液膜的汽化相变被抑制。当转速高于3×10~4 r/min、压力高于0.6 MPa、螺旋角大于20°、槽深大于7 μm时,液膜会发生逆汽化现象。液膜的汽化相变对密封性能产生直接的影响。合理选择密封结构参数,可有效利用和控制相变,提高密封性能。     

工况对泵入型螺旋槽动压密封液膜汽化相变和密封性能的影响

液氧动压密封性能对液氧涡轮泵的工作效率及稳定性有很大的影响,为了研究不同工况下机械密封液膜的相变和密封性能,建立端面液膜汽化相变数值计算模型,分析液膜汽化的相变程度、相变区域分布和液膜汽化相变对泵开启力和泄漏量的影响。结果表明：工况参数对液膜的汽化相变有着一定程度的影响,随着动环转速、介质压力的增加,相变被抑制且最大相变体积分数发生在压力出口处且范围逐渐减小,最大相变压力逐渐增加,开启力和泄漏量不断增大;介质温度升高会促进相变的发生,最大相变体积分数发生在压力出口处且范围逐渐增加,最大相变压力不断减小,开启力和泄漏量不断减小。液膜的汽化相变会对密封性能产生直接的影响,合理选择密封工况,可有效利用和控制相变,提高密封性能。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。     

外圆弧槽密封环热-结构耦合变形分析及参数优化

以外圆弧槽机械密封为研究对象,针对工况参数、密封环端面槽区的尺寸参数对密封环端面温度、变形的耦合影响,建立三维热-结构分析模型,分析密封环在热-力耦合作用下,工况参数、端面槽区的尺寸参数对密封环端面温度、变形的影响,并以端面温度、等效应力最小为准则,利用多目标驱动优化得到优化的槽区尺寸参数。结果表明:在密封面上开槽后,起到局部冷却作用,使端面温度沿径向非线性分布,其中在2个端面槽区中间最大,在槽区和密封端面靠外径边缘温度较低;端面上2个槽区的中间靠外径侧变形最大,轴向变形靠近内径最大。     

机械密封动环变形对端面温度场的影响

在合理的假设条件下,考虑到液膜对动环的热量分配系数,基于液体润滑非接触机械密封稳态传热模型,利用ANSYS软件分别对动环变形前后温度场进行计算,得出动环端面温度分布规律,并分析主轴转速、变形角β、液膜厚度、密封环导热系数等参数对温度场的影响。分析结果表明:变形后温度要明显高于变形前温度;动环的高温区出现在内径处;主轴转速、材料的导热系数对动环端面温度有较大影响。     

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。