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。     

径向变深雁形槽干气密封开启性能研究

为进一步提高雁型槽端面干气密封在低速、低压工况下的开启性能,在等深雁型槽的基础上对槽底结构进行变深优化,提出了收敛型锥度、收敛型阶梯、发散型锥度和发散性阶梯4种槽底变深结构。基于气体混合润滑理论,考虑密封端面粗糙度效应和端面间气体滑移流效应,建立了雁型槽端面干气密封动压开启分析模型,数值分析了槽底变深结构干气密封的气膜压力分布,研究了相对变深坡度、环颈深度和密封压力对变深雁型槽端面干气密封的临界开启转速和气膜刚度的影响。结果表明:与等深槽相比,槽底变深结构可提高密封端面间气膜承载能力和稳定性;在相对变深坡度λ=3/8～4/8时,变深结构干气密封的临界开启转速nc取得最小值,且发散型变深结构略优于收敛型变深结构;相对变深坡度取最优值时,发散型结构干气密封的临界开启转速nc与等深槽相比降低了10.2%。     

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。     

两种动压机械密封性能的对比研究

对径向直线槽和斜直线槽液体动压机械密封进行了对比分析,研究了槽深、槽数和转速对密封性能的影响。结果表明,在相同条件下,斜直线槽密封的端面最大压力、端面开启力和液膜刚度均大于径向直线槽,且具有零泄漏特点,综合性能优良。     

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。     

螺旋槽机械密封液膜流场的动静压对比分析

以外侧开槽的螺旋槽动静环密封端面与不带槽的动静环密封端面间的液膜为研究对象,建立其三维的有限元周期模型,运用计算流体力学(CFD)软件Fluent对液膜流场特性进行数值模拟,得到了液膜的压力和承载力分布规律。通过两者对比,分析了操作参数(转速、压差)对密封性能的影响,结果表明开槽的密封端面液膜具有明显的动压效应,液膜的承载力也大;并继续探讨了螺旋槽的参数(螺旋角、槽深)对螺旋槽机械密封的最大动压和承载力等密封性能的影响,研究结果为螺旋槽的设计提供了有益的参考。     

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。     

直线变深T型槽干气密封性能研究

为增强T型槽干气密封的气膜承载能力及其稳定性,提出一种变深T型槽干气密封端面结构。基于气体润滑理论模型,采用有限单元法求解雷诺方程,在不同操作参数下对比分析变深T型槽与等深T型槽干气密封的工作性能。结果表明:与等深结构相比,变深结构有更好的气膜承载能力和稳定性;尤其在低速低压或高速高压条件下,变深T型槽比等深T型槽具有更高气膜承载能力和稳定性。     

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。     

双列斜直线槽液体密封上游泵送效应的研究

以双列斜直线槽液体密封端面间的液膜为研究对象,建立了求解端面液膜特性的控制方程,应用CFD软件对密封端面间的流场进行了数值模拟,计算了在不同槽深时的端面开启力和泄漏量。结果表明:双列斜直线槽液体密封可产生动压效应和上游泵送效应,通过合理设计,可使泄漏量为零或使流体向上游泄漏。     

牙轮钻头用单金属密封热流固耦合模型与性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性，构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系，建立了牙轮钻头单金属密封热流固耦合数学模型，并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形态、温升变化及密封性能的影响规律。研究结果表明：随钻井深度和环境压力的增大，单金属密封端面间隙逐渐由收敛型演化为发散型，膜厚及温升极值点由外径侧向内径侧迁移，其临界转折点为环境压力p0=11 MPa附近；高压工况下，密封端面内径侧接触压力递增，不利于润滑油膜的形成；密封系统的泄漏率和摩擦力随钻头转速增大均有所增大，但在低压工况下可通过合理增大钻头转速来提高钻井效率。     

Numerical Analysis of a Spiral-groove Dry-gas Seal Considering Micro-scale Effects

A dry-gas seal system is a non-contact seal technology that is widely used in different industrial applications.Spiral-groove dry-gas seal utilizes fluid dynamic pressure effects to realize the seal and lubrication processes,while forming a high pressure gas film between two sealing faces due to the deceleration of the gas pumped in or out.There is little research into the effects and the influence on seal performance,if the grooves and the gas film are at the micro-scale.This paper investigates the micro-scale effects on spiral-groove dry-gas seal performance in a numerical solution of a corrected Reynolds equation.The Reynolds equation is discretized by means of the finite difference method with the second order scheme and solved by the successive-over-relaxation(SOR) iterative method.The Knudsen number of the flow in the sealing gas film is changed from 0.005 to 0.120 with a variation of film depth and sealing pressure.The numerical results show that the average pressure in the gas film and the sealed gas leakage increase due to micro-scale effects.The open force is enlarged,while the gas film stiffness is significantly decreased due to micro-scale effects.The friction torque and power consumption remain constant,even in low sealing pressure and spin speed conditions.In this paper,the seal performance at different rotor face spin speeds is also described.The proposed research clarifies the micro-scale effects in a spiral-groove dry-gas seal and their influence on seal performance,which is expected to be useful for the improvement of the design of dry-gas seal systems operating in the slip flow regime.     

机械密封的发展历程与研究动向

介绍了机械密封的产生及其发展背景，阐述了机械密封每一阶段发展的主要动力。综述50年来构建机械密封机理的表面张力假说和粘滞力假说。基于表面张力假说，机械密封存在空化、汽化密封理论；基于粘滞力假说，存在边界润滑、混合润滑密封理论。在不断探索机械密封机理的同时，成功地利用密封机理设计制造了机械密封产品。目前先进的机械密封应用技术主要有表面改形技术、组合密封技术和可控机械密封技术。阐明了现有密封理论都存在着无法解决的问题，指出了机械密封的研究动向。提高机械密封端面参数测试的可靠性是研究和揭示机械密封有关规律的关键；可控机械密封实践仍存在不少难点，包括最佳工况点的求取、控制参数的选择与测量、反馈执行机构的研制等；纳米材料的特殊性能有助于改善机械密封端面间润滑状态，开发纳米材料机械密封和应用纳米冲洗液将是机械密封研究的近期目标。     

剖分式机械密封技术研究进展

为了方便穿套在旋转轴上的密封环和辅助密封圈等元件的安装,人们开始从事剖分式机械密封技术研究。通过对剖分式机械密封技术近20年发展状况的回顾与总结,发现剖分式机械密封之所以至今未能获得推广或只能应用于工作参数较低的场合,是因为缺乏对密封端面和分型面受热受压条件下变形与控制规律研究、以及分型面连接的紧密性分析,无法保证密封设计与运行的可靠性。指出了今后一段时期剖分式机械密封理论研究、试验研究和应用研究的方向。     

表面粗糙度对螺旋槽干式气体密封性能的影响

考虑螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的表面粗糙度,通过求解可压缩流平均雷诺方程,研究了不同速度条件下密封端面不同区域的各向同性表面粗糙度对密封气膜刚度和泄漏量的影响。结果表明:密封端面各区域表面粗糙度对密封性能的影响规律各不相同,并且转速对表面粗糙度与密封性能的关系产生影响;为满足气体密封具有较高气膜刚度的同时具有较低的泄漏量,同时满足较高的性价比,设计时应选取合适的表面粗糙度值。     

水压往复密封面临仿真问题

该文对水压往复柱塞密封仿真现状进行了调研,得出了目前油压密封仿真较为成熟,而水压密封仿真薄弱的结论。由于水的低粘度及物理特性使水压密封成膜难,仿真需要对密封物理组成建立系统性和精细化的模型。水压密封流态一般为混合润滑,剖析了两种低粘度介质流态的判别方法,揭示了润滑流态转换条件及表现特征。在仿真过程中指出了Reynolds方程应考虑惯性项,给出了几种Reynolds方程适用性及求解数值方法,论述了数值方法的特点。分析了成膜密封磨损机制,粗糙度大小是影响磨损程度主因。提出了借助实验建立较完善仿真模型观点,以提高仿真模型置信度。明晰了仿真在密封设计中优化作用,运用传统油压理论处理水压密封等效性问题需进一步探讨,提出了未来水压密封面临探索性问题。     

激励对往复式骨架油封密封性能的影响

为改善往复式骨架油封的泄漏问题,建立油封唇口密封区流体润滑的数值计算模型,模型考虑密封面粗糙形貌以及油封唇口的径向变形,通过求解雷诺方程分析密封区的流体力学特性,获得密封区的油膜厚度和压力分布,并分析激振频率和振幅对密封性能的影响规律。结果表明:随着激振频率的增加,内外行程中密封区的最小膜厚呈先增加后减小的变化趋势,激振频率越大,往复式骨架油封的密封性越差;内外行程中密封区的的最小膜厚随激振振幅的增加呈非线性增加,激振振幅越大,往复式骨架油封的密封性越好。综合考虑,为提高密封效果,往复式骨架油封适用于小频高幅的工作场合。     

海洋平台油气混输泵轴端密封改进设计与试验研究

针对某海洋平台油气混输泵轴端机械密封在运行过程中存在的失效问题，分析其产生的原因，并对其结构进行改进设计。对改进后机械密封进行实验室台架性能试验，分析不同弹簧比压条件下密封性能随压力的变化和密封端面磨损状况，以及不同端面设计宽度下密封性能随压力和转速的变化。结果表明：减小弹簧比压能略微降低密封端面摩擦功率，但会增大泄漏风险；减小端面宽度能有效提升润滑不良条件下的端面密封性能。确定密封优选设计参数，并对密封样机进行100 h型式试验。试验结果表明，改进后密封端面摩擦功率基本稳定，波动较小，泄漏量满足标准指标要求，验证了该密封结构改进的合理性、优选设计参数的有效性和运行工况的适应性。     

Fluid-solid interaction model for hydraulic reciprocating O-ring seals

Elastohydrodynamic lubrication characteristics of hydraulic reciprocating seals have significant effects on sealing and tribology performances of hydraulic actuators,especially in high parameter hydraulic systems.Only elastic deformations of hydraulic reciprocating seals were discussed,and hydrodynamic effects were neglected in many studies.The physical process of the fluid-solid interaction effect did not be clearly presented in the existing fluid-solid interaction models for hydraulic reciprocating O-ring seals,and few of these models had been simultaneously validated through experiments.By exploring the physical process of the fluid-solid interaction effect of the hydraulic reciprocating O-ring seal,a numerical fluid-solid interaction model consisting of fluid lubrication,contact mechanics,asperity contact and elastic deformation analyses is constructed with an iterative procedure.With the SRV friction and wear tester,the experiments are performed to investigate the elastohydrodynamic lubrication characteristics of the O-ring seal.The regularity of the friction coefficient varying with the speed of reciprocating motion is obtained in the mixed lubrication condition.The experimental result is used to validate the fluid-solid interaction model.Based on the model,The elastohydrodynamic lubrication characteristics of the hydraulic reciprocating O-ring seal are presented respectively in the dry friction,mixed lubrication and full film lubrication conditions,including of the contact pressure,film thickness,friction coefficient,liquid film pressure and viscous shear stress in the sealing zone.The proposed numerical fluid-solid interaction model can be effectively used to analyze the operation characteristics of the hydraulic reciprocating O-ring seal,and can also be widely used to study other hydraulic reciprocating seals.