波度端面机械密封温度场的有限元分析

考虑波度密封端面的粘性生热和润滑液膜与密封环之间的热作用,建立了包括密封环和液膜在内的流固热耦合模型,采用流线迎风有限单元法求解了雷诺方程、热传导方程和能量方程,研究了液膜膜厚、波数、波幅、坝宽比、转速及密封压力等参数对密封环温度场和液膜温度场的分布规律的影响。结果表明:波度对密封端面起到了冷却作用;密封环和液膜温度随着膜厚、波幅增大而降低,随转速、坝宽比增大而升高,波数和密封压力对温度的影响不大。     

波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析

基于流体润滑理论,考虑润滑液膜空化现象和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立波度端面机械密封三维流固热耦合模型,采用SUPG有限单元法求解广义雷诺方程、能量方程和热传导方程,计算端面液膜压力、开启力、泄漏率、摩擦因数等参数,对比分析密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)密封特性。结果表明:随着转速、密封压力、波幅、波数的增加,开启力和泄漏率增加,摩擦因数减小;随着坝宽比、初始膜厚的增加,开启力和泄漏率减少,摩擦因数增加。热效应对密封性能影响显著,随着端面摩擦热升高,润滑液膜压力降低。     

端面波度、锥度与槽型耦合密封特性数值分析

研究非接触端面密封中密封端面的波度、锥度与槽型耦合作用下非端面密封的密封特性。在层流、稳态的密封介质基础上,基于极坐标下二维雷诺方程,结合数值求解方法,考虑波度、锥度与槽型耦合对密封特性的影响,得到泄漏率、开启力、液膜刚度3类密封特性参数变化趋势。研究表明,当锥度一定时,随着波度增大,泄漏率增加,液膜刚度微幅增大,而开启力则受端面槽型耦合影响,其中直方槽端面和螺旋槽端面开启力呈现逐步变小的趋势,内螺旋槽端面开启力呈现先增后减变化,最后3种槽型端面的开启力趋于同一值;当波度一定时,随着锥度提升,泄漏率增加,开启力增大,液膜刚度变弱。在非接触端面密封中,合理选取波度、锥度与槽型有利于保证密封的非接触状态,提高端面密封的可靠性和工作寿命。     

波度和锥度对机械密封稳态特性影响研究

基于质量守恒控制方程,建立考虑周向波度和径向锥度的机械密封几何模型,采用有限差分法对控制方程进行离散,并通过高斯-赛德尔法进行迭代,得到端面间压力分布,并分析周向波度和径向锥度对泄漏量、开启力等密封性能参数的影响。结果表明：端面波数的变化对开启力、泄漏量及摩擦扭矩的影响较小;端面波幅值的增加使得端面的开启力、泄漏量和摩擦扭矩同时增大;锥度的增大导致开启力和泄漏量的增加,且锥度正向增加有利于改善液膜的承载能力。     

波度和锥度对机械密封稳态特性的影响

基于质量守恒控制方程,建立考虑周向波度和径向锥度的机械密封几何模型,采用有限差分法对控制方程进行离散,并通过高斯-赛德尔法进行迭代,得到端面间压力分布,并分析周向波度和径向锥度对泄漏量、开启力等密封性能参数的影响。结果表明:端面波数的变化对开启力、泄漏量及摩擦扭矩的影响较小;端面波幅值的增加使得端面的开启力、泄漏量和摩擦扭矩同时增大;锥度的增大导致开启力和泄漏量的增加,且锥度正向增加有利于改善液膜的承载能力。     

端面形貌和流体剪切稀化对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。     

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。     

表面波度对泵用液体圆孔端面密封泄漏特性的影响

考虑密封端面粗糙度、周向表面波度以及空化效应,建立液体圆孔端面密封分析数学模型,通过数值求解不同圆孔排布方式下液体端面密封的压力分布和泄漏率,分析表面波度几何参数（波高、波数）和密封工况参数（转速、密封压力、膜厚等）对开启力和泄漏率的影响。结果显示：周向表面波度明显改变密封端面压力分布;随着波高的增加,密封泄漏率逐渐增加,并且径向局部开孔端面密封的泄漏率小于径向全开孔端面密封的泄漏率,但当膜厚为2 μm时,密封端面局部开孔时的泄漏率反而较大;在低压工况下,波数对两种排布端面密封的泄漏率无明显影响,随着压力的增加,周向波数使得径向全开孔端面密封的泄漏率逐步减小;液体圆孔端面密封的泄漏明显受到转速、密封压力和膜厚的影响,密封压力增加密封泄漏也增大,而转速和膜厚增加密封泄漏则逐渐减小;在高速下,密封端面圆孔排布方式对密封泄漏影响较小。     

考虑波度和锥度的端面密封稳态特性数值研究

用有限差分法推导膜厚方程与压力分布方程,建立考虑径向锥度与周向波度的三维模型,应用MATLAB软件编程对接触式机械密封进行稳态特性分析,研究影响密封性能的因素,并对建立的模型进行准确的密封性能评估与分析。结果表明,转速的改变对密封性能参数影响较小,调整压差对控制泄漏、改善密封性能有更明显的效果,开启力与泄漏量等参数随压差的增大均有增大趋势;当压差为正值时,正锥度对动压起削弱作用,负锥度对动压起增强作用,而端面周向波度对流体动压的形成起到关键作用。     

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。     

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。     

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。     

"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。     

弹簧比压对机械密封性能影响的分形分析

在考虑磨损引起端面表面形貌变化的基础上,引入分形理论分析了弹簧比压对平衡型机械密封泄漏率和端面摩擦特性的影响,并针对GY-70平衡型机械密封进行了试验研究。理论分析和试验结果表明,尽管弹簧比压的变化有时不足以改变机械密封的端面摩擦状态,但随着弹簧比压的增大,摩擦副之间的润滑介质已相对减少,端面摩擦特性逐渐恶化。机械密封存在一最佳弹簧比压,不同的工况条件下,最佳弹簧比压是不相同的。正确选择弹簧比压是实现机械密封长寿命低泄漏率的关键。     

双唇Y形拉杆密封的密封性能研究*

建立双唇Y形拉杆封的混合润滑模型,并进行流体力学、接触力学、变形力学分析。利用MatLab软件实现对模型的求解,得到密封区域的流量、膜厚和接触压力分布,并分析不同密封件粗糙度对轴向往复双唇Y形密封圈的摩擦力矩、泄漏量的影响。结果表明:在双唇Y形往复密封中,两唇在密封过程中均处于混合润滑状态,且第一内唇处的膜厚大于第二内唇处;第二内唇静态接触压力近似于对称分布,且第二内唇最大接触压力大于第一内唇最大接触压力,表明第二内唇作为密封的第二道防线可以保证良好的密封效果;密封件粗糙度是影响矩形密封性能的重要因素,随表面粗糙度的增加,直线往复密封的摩擦力和泄漏量增大,存在一个临界粗糙度使泄漏方向改变。     

变工况条件下机械密封端面膜压实验研究

通过机械密封端面稳定实验,研究热油泵机械密封在工况变化时端面膜压变化,分析相同转速、相同温度和不同压力以及相同压力、相同温度和不同转速2种工况下机械密封端面膜压实验结果,并与变工况机械密封理论计算结果进行比较。实验结果与变工况机械密封理论计算结果吻合。工况变化瞬时,密封端面液膜失稳导致汽化半径瞬时增大,发生闪蒸,由于闪蒸端面压力瞬时增大,使得端面的开启力大于闭合力,造成机械密封发生开启失效;在持续抽空过程中,密封端面会发生干摩擦,加剧端面磨损。     

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。     

A Test Apparatus for Measuring the Effects of Waviness in Mechanical Face Seals

A unique mechanical-face seal test apparatus is described, and some experimental results are presented. The apparatus is designed to test a single 96-mm shaft diameter face seal. Provision is made to measure friction torque, leakage and seal face temperature and to record these data as a function of time automatically using a computerized data acquisition system. The unique feature of the machine is that face waviness is imposed on one of the rings using gas pressure. In order to minimize the effects of wear on the waviness so that long-term tests can be made, the waviness is moved slowly relative lo the ring. Results show that seal wear and friction are greatly reduced by the face waviness when compared to a flat face seal.