激光加工的多孔端面机械密封的性能数值分析

建立激光加工多孔端面机械密封的分析模型,采用有限差分法求解雷诺方程,得到不同操作条件和微孔结构参数 下密封端面间的流体压力分布,进而可以计算端面间的密封开启力和液膜刚度。通过分析端面结构参数对密封开启力 和液膜刚度的影响规律,可得到端面结构的优化参数。分析结果表明,微孔密封面可产生明显的动压效应。     

考虑滑移流条件下干式气体端面密封的有限元分析

采用Borgdorfer推导的修正雷诺方程,应用有限元法分析了滑移流效应对螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)性能的影响。结果表明,在低速和低压条件下,密封的端面开启力、气膜刚度和泄漏量均受到滑移流的显著影响,其中当密封压力为0.152~0.303 MPa时影响最显著。     

锥度对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

提出一种考虑螺旋槽气体密封端面径向锥度的理论模型。利用有限元法求解密封端面间气膜控制方程——雷诺方程,得到了端面膜压分布。计算了密封稳态性能参数,并与有关文献值进行了比较。分析了端面锥度对密封稳态特性的影响,进一步预测了密封端面出现接触摩擦的临界锥度。结果表明,锥度改变了端面膜压分布,并显著影响开启力、气膜刚度以及泄漏率等参数;过度变形将会导致密封因端面接触或大量泄漏而失效。     

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。     

新型组合槽端面干气密封特性研究

为了进一步提升干气密封端面流体膜动压效应,提出一种新型组合槽端面干气密封,该组合槽由两个相邻的螺旋槽周向部分重叠组合而成,包括一个长螺旋槽,一个短螺旋槽,两槽的槽深及径向长度不同。建立该组合槽与传统槽端面密封的数学模型,并运用有限差分法对其密封性能进行数值分析。结果表明:新型组合槽在端面间隙约小于1.5μm区域,流体膜开启力大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大;泄漏量亦大于传统槽,但其值远小于泄漏量的设计值;在端面间隙约小于3.5μm区域,新型组合槽流体膜刚度显著大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大。鉴于组合槽在泄漏量不超标的情况下,在间隙较小时端面流体膜具有更大的刚度、开启力及刚漏比,其综合性能显著优于传统槽型密封。     

螺旋槽干式气体端面密封性能的数值分析

建立了螺旋槽气体密封(S-DGS)端面内的等温可压缩二维流气体雷诺方程，用有限元法计算了端面压力分布，将压力分布、密封开启力和气膜刚度的计算值与有关文献值进行了比较。分析了密封端面几何参数对密封性能的影响，各几何参数的推荐值可以确保密封在低泄漏量条件下的高刚度值，并据此提出了S-DGS端面几何参数选择的一般原则，对密封结构优化没计具有一定指导意义。     

低速运转气膜机械密封端面波度和锥度对其密封性能的影响

气体润滑机械密封端面周向波度和径向锥度是影响密封低速运转性能的重要参数。以螺旋槽气体润滑机械密封为研究对象,采用有限单元法分别对周向波度、径向锥度对其低速运转性能的影响规律进行了分析研究。理论分析表明:在低速运转条件下,波度幅值及其起始角对螺旋槽气膜密封的各项性能都具有很大影响;密封端面正锥度的增加能使密封气膜刚度显著提高,但同时也使密封的泄漏量有所增加。     

新型双列螺旋槽端面密封的静态性能分析

研究了一种新型双列螺旋槽机械密封结构的工作机理。从可压缩流体Reynolds方程出发,用有限元数值计算的方法得出了一定工况条件下双列螺旋槽机械密封端面间稳态下的密封间隙、液体的压力分布、开启力、供液小孔的压力损失及泄漏量等。计算结果表明,供液小孔所产生的压力损失提高了双列螺旋槽机械密封的静态轴向刚度。     

低速运转气膜机械密封端面粗糙度对其密封性能的影响

以螺旋槽气体润滑机械密封为研究对象,采用有限单元法分析了各向同性的粗糙度对低速运转气体润滑机械性能的影响,并提出了适用于低速运转气膜机械密封特性分析的修正雷诺方程。理论分析表明:低速运转条件下,表面粗糙度对气膜机械密封各项性能均有较大的影响,在研究气膜机械密封特性时,要考虑表面粗糙度的影响;在特定膜厚条件下,当膜厚与粗糙度均方根的比值大于3~4时,表面粗糙度对密封性能的影响可以忽略不计;在较大粗糙度下,虽然密封开启力、气膜刚度随转速增加而显著提高,但同时泄漏量也明显加大,因此随着转速增加,较大粗糙度对气膜密封低速运转性能是有害的。     

Automatic Feedback Control of Mechanical Gas Face Seals via Clearance Control

A new analytical approach is presented for designing controllers to regulate the axial clearance of a coned-face flexibly mounted stator mechanical gas face seal. The seal axial clearance is controlled by regulating the back-pressure force acting on the stator. The controllers are systematically designed using a completely analytical seal system model in which the linearized gas film stiffness and damping properties are represented by a constitutive model. An algorithm based on this model is derived to calculate the critical axial clearance where the seal is marginally stable, and a stable reference axial clearance is chosen. Proportional and proportional-plus-integral controllers are designed and analytically studied in terms of closed-loop stability and speed of response using the system model. The controllers are verified using a full numerical simulation (including nonlinear effects) of the mechanical gas face seal system, and the results demonstrate the effectiveness of both controllers to maintain the reference axial clearance.     

三自由度微扰下箔片端面气膜密封动态特性分析

提出一种新型箔片端面气膜密封方式,基于气体润滑与弹性力学理论,应用小扰动法建立箔片端面气膜密封的微扰膜压控制方程。对比分析了不同箔片变形力学模型下的动态特性系数变化规律,探究了不同工况及结构参数对气膜动态特性的影响规律,以最大动态主刚度和阻尼作为综合优化目标,确定了结构参数的优选范围。结果表明：随着激振频率、转轴转速的提高,气膜动态主刚度与动态主阻尼的动态互补变化,抑制了润滑膜厚的激变,同时作为气膜不稳定诱因的动态交叉系数的变化放缓,降低了因工况突变引起气膜振荡、失稳的风险;此外,介质压力的增大能够显著提升密封维稳、抗振性能。当楔形高度取5～8 μm,节距比取0.2～0.4,箔坝比取0.5～1.1,箔片数取4～6,箔片结构阻尼取5×107～8×107 Pa·s/m时,箔片端面气膜密封综合动态抗扰性能较优。     

周向波度气体密封的动态特性

基于摄动法求解周向波度气体密封的动态Reynolds方程,得到动态气膜压力分布。计算周向波度气体密封的气膜动态刚度和阻尼系数,分析扰动频率及密封端面几何参数,如波数、波幅和坝宽比对气膜动态特性系数的影响规律。结果表明:当扰动频率小于转轴角速度时,其对气膜动态特性系数影响不大,反之有较大影响;波数对气膜动态特性系数影响不大,随着波幅的增加主刚度系数和阻尼系数都随之减小,耦合刚度系数则几乎不受影响,随着坝宽比的增加刚度系数基本保持不变,阻尼系数均增加。     

上游泵送机械密封在B-512离心丙烷泵上的应用研究

通过对B-512离心泵原泵用接触式机械密封失效原因的分析,对非接触式机械密封工作原理和应用特点等进行研究。根据实际情况改造设计出新型机械密封,运用Pro/E软件对端面液膜进行参数化建模,使用Fluent软件对端面流场进行了数值模拟,将新型机械密封与原密封进行对比分析。数据表明,改造设计的新型机械密封弥补了原机械密封的缺陷,上游泵送机械密封抗外界干扰的能力很强,泄漏率较小,液膜刚度较大,同时摩擦功耗较低,有助于提高丙烷泵的工作效率,密封寿命长,适宜长期稳定运行。对轻烃泵类机械密封的设计具有指导意义。     

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。     

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。     

衍生螺旋槽对超临界二氧化碳干气密封微气膜稳态特性影响*

以衍生螺旋槽为研究对象,建立衍生螺旋槽端面微气膜三维流动模型,通过软件REFPROP获取CO2在不同压力温度下的物性参数,并导入Fluent计算得到了衍生螺旋槽和经典螺旋槽的膜压分布。对比分析衍生螺旋槽和经典螺旋槽S-CO2干气密封开启力、泄漏率和气膜刚度,讨论不同入口压力和转速下湍流效应、实际气体效应以及离心惯性力对密封稳态性能的影响,揭示多种效应交互耦合对S-CO2干气密封气膜动态特性的密封机制。结果表明：衍生螺旋槽的气膜开启力、泄漏率和气膜刚度等性能参数优于经典螺旋槽,这是衍生螺旋槽两级台阶作用的结果;随着转速的增加,在湍流效应和离心惯性力的交互耦合作用下,开启力、泄漏率及气膜刚度先增大后减小,随入口压力的增大,气膜开启力、泄漏率和气膜刚度均呈近似线性增大,且压力越大衍生螺旋槽和经典螺旋槽的差异越来越明显。     

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...     

双向菱形孔织构端面密封性能研究

基于双向双列菱形孔织构端面流体密封的理论控制模型,采用有限元分析的方法研究菱形孔结构、排布方式和工况参数对密封性能的影响规律,研究菱形孔双向泵送作用对机械密封动压润滑性能影响规律及内在运行机制。结果表明：随外压增大,内外径处的压差逐渐增强,开启力和泄漏率逐渐增大,液膜刚度是先减再增而后减小;随转速增加,开启力、液膜刚度和泄漏率均呈快速增大的变化趋势;随着基础膜厚增大,开启力、液膜刚度先快后缓慢减小,而泄漏率则迅速增加;端面加工出的双向双列菱形孔织构可将间隙内流体进行回吸,从而减少泄漏率,提高了端面间隙的润滑性能,通过排布形式各异的菱形孔及结构参数的优化设计可实现密封特性的提升。     

Parametric Study of Spiral Groove Gas Face Seals

A finite element analysis for the isothermal flow in spiral groove gas face seals is detailed along with a successive approximation method for the iterative solution of the nonlinear Reynolds equation. Zeroth- and first-order pressure fields are calculated for evaluation of the seal opening force and leakage and the axial stiffness and damping force coefficients, respectively. A parametric study shows the static and dynamic force behavior of a baseline SGFS operating with a large pressure ratio. The recommended geometric parameters presented ensure large static stiffness and damping force coefficients while still allowing for low seal leakage rates. A reduction in the power loss and a significant increase in the seal static stiffness coefficient are unique features of thin seal dams.     

波度及静环静态角偏差对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

建立了考虑螺旋槽气体密封端面周向波度及静环静态角偏差的理论模型。利用有限元法数值求解稳态雷诺方程,得到了端面周向气膜压力分布,进一步分析了不同压缩数下周向波度及静环静态角偏差对密封稳态特性参数的影响规律。结果表明:中、高压缩数下,波度及静环静态角偏差对气膜周向压力分布及径向压力梯度产生显著影响;波幅及波数对密封稳态特性影响不尽相同;过大的静环静态角偏差会导致端面气膜压力出现不均匀的峰值及谷值,使密封产生剧烈偏摆,造成端面瞬间接触,加剧端面磨损,最终导致密封泄漏失效。