机械端面密封反向螺旋槽空化效应与泄漏控制机理

针对机械端面密封的反向螺旋槽结构,基于遵循质量守恒的JFO空化边界条件,采用SUPG有限元方法求解Reynolds方程,研究了反向螺旋槽的空化效应,基于此,提出了一种新型的正反向螺旋槽组合端面密封结构,分析了不同工况条件下的密封性能。结果表明：反向螺旋槽区域易发生液膜空化,周期性分布的空化区会显著影响端面流场,空化区的低压力可将内径侧流体抽吸到密封端面,实现上游泵送。新型正反向螺旋槽端面密封结构结合了反向螺旋槽产生的泄漏控制作用和正向螺旋槽产生的流体动压效应,同时具备良好的上游泵送能力和动压承载能力。     

上游泵送机械密封的基本原理分析

上游泵送机械密封是利用低压流体实现对高压流体密封的一项新的密封技术,它的典型特征是在一密封端面开有起上游泵送作用的浅槽,利用流体动压效应使得两完整的流体膜分开,这极大地改善了密封端面的润滑状态。本文介绍了分析了该类机械密封的基本原理。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明：在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

螺旋槽液膜密封端面空化发生机理

液膜中空化的发生直接影响着密封流体动压润滑性能,基于质量守恒的JFO边界条件,建立考虑表面粗糙度的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换成规则计算域,采用有限控制体积法离散控制方程并求解,分析了膜厚、表面粗糙度、螺旋槽功用（上游泵送和下游泵送）、螺旋槽开槽位置及空化压力对液膜中空化发生的影响。结果表明：较小膜厚工况易促生空穴,而较大膜厚易削弱空穴,且随着膜厚增大,表面粗糙度的影响降低甚至被忽略;当密封为上游泵送型时,空穴区周向宽度明显大于下游泵送型,而螺旋槽位置对空化的影响与螺旋槽功用密切相关;选取较小空化压力使空穴缩减,而较大者反之,且后者对提升液膜承载有利。     

螺旋槽液膜密封端面空化发生机理

液膜中空化的发生直接影响着密封流体动压润滑性能,基于质量守恒的JFO边界条件,建立考虑表面粗糙度的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换成规则计算域,采用有限控制体积法离散控制方程并求解,分析了膜厚、表面粗糙度、螺旋槽功用(上游泵送和下游泵送)、螺旋槽开槽位置及空化压力对液膜中空化发生的影响。结果表明:较小膜厚工况易促生空穴,而较大膜厚易削弱空穴,且随着膜厚增大,表面粗糙度的影响降低甚至被忽略;当密封为上游泵送型时,空穴区周向宽度明显大于下游泵送型,而螺旋槽位置对空化的影响与螺旋槽功用密切相关;选取较小空化压力使空穴缩减,而较大者反之,且后者对提升液膜承载有利。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明:在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

空化热效应对上游泵送机械密封润滑性能的影响

机械密封端面空化现象是影响机械密封润滑性能的重要因素。采用计算流体动力学方法,基于Antoine公式,建立了考虑空化热效应的计算流体动力学模型,并与常用的仅考虑端面液膜粘温效应的模型进行对比,分析了空化热效应对密封性能的影响。结果表明:在低转速下,空化热效应的影响可以忽略,但在高转速下空化热效应使上游泵送机械密封的高压区形成能力减弱,泵送量降低,开启力降低;在高转速工作条件下分析密封失效机理时,除了考虑黏温效应之外,还要考虑空化热效应的影响;空化热效应使螺旋槽槽区局部温度比仅考虑黏温特性时稍高;考虑空化热效应时,动环端面空化发生程度最严重,由动环端面沿膜厚方向至静环槽底,空化区域越来越小,槽底空化区域最小,此规律与仅考虑黏温关系时相反。     

空化热效应对上游泵送机械密封润滑性能的影响

机械密封端面空化现象是影响机械密封润滑性能的重要因素。采用计算流体动力学方法,基于Antoine公式,建立了考虑空化热效应的计算流体动力学模型,并与常用的仅考虑端面液膜粘温效应的模型进行对比,分析了空化热效应对密封性能的影响。结果表明：在低转速下,空化热效应的影响可以忽略,但在高转速下空化热效应使上游泵送机械密封的高压区形成能力减弱,泵送量降低,开启力降低;在高转速工作条件下分析密封失效机理时,除了考虑黏温效应之外,还要考虑空化热效应的影响;空化热效应使螺旋槽槽区局部温度比仅考虑黏温特性时稍高;考虑空化热效应时,动环端面空化发生程度最严重,由动环端面沿膜厚方向至静环槽底,空化区域越来越小,槽底空化区域最小,此规律与仅考虑黏温关系时相反。     

周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能

为降低密封面间液体流动发散区液膜压力损失及提高密封性能,在矩形截面螺旋槽中引入周向斜面台阶结构并建立物理模型。基于JFO空化边界,探讨了不同槽深时,斜面转角比对液膜压力、降低空穴发生及流体动压性能的影响。结果表明:当斜面转角比小于1/30时,下游泵送或上游泵送液膜密封的周向膜压或螺旋线方向膜压均得到迅速提升而空化面积比迅速降低,尤其是上游泵送密封;随斜面转角比增大,空化面积比先增大后减小,空穴区中液膜开始破裂位置前缘压力呈增加趋势,而液膜重生成位置后缘压力反之。槽深的增加有助于提升液膜压力和降低空化面积比,当槽深为8～12μm,在斜面转角比为0.1～0.3时,两类型液膜密封承载能力均可达到最大值,前者最大增幅约13.5%,后者约28%;摩擦扭矩最大增幅约4.6%,增幅较小;泄漏量随斜面转角比的变化规律与承载能力相似。     

周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能

为降低密封面间液体流动发散区液膜压力损失及提高密封性能,在矩形截面螺旋槽中引入周向斜面台阶结构并建立物理模型。基于JFO空化边界,探讨了不同槽深时,斜面转角比对液膜压力、降低空穴发生及流体动压性能的影响。结果表明：当斜面转角比小于1/30时,下游泵送或上游泵送液膜密封的周向膜压或螺旋线方向膜压均得到迅速提升而空化面积比迅速降低,尤其是上游泵送密封;随斜面转角比增大,空化面积比先增大后减小,空穴区中液膜开始破裂位置前缘压力呈增加趋势,而液膜重生成位置后缘压力反之。槽深的增加有助于提升液膜压力和降低空化面积比,当槽深为8～12 μm,在斜面转角比为0.1～0.3时,两类型液膜密封承载能力均可达到最大值,前者最大增幅约13.5%,后者约28%;摩擦扭矩最大增幅约4.6%,增幅较小;泄漏量随斜面转角比的变化规律与承载能力相似。     

新型上游泵送机械密封的性能研究

针对内径开槽的螺旋槽型上游泵送机械密封易于吸入固体颗粒而产生磨粒磨损的缺陷 ,研制开发出具有内外双密封坝的新型上游泵送机械密封端面结构。实验研究结果表明 ,新研制的双密封坝型上游泵送机械密封在密封性能、摩擦性能等方面明显优于普通的接触式机械密封 ,且与内径开槽上游泵送机械密封相比 ,其防固体颗粒能力大大提高。     

典型螺旋槽端面干式气体密封动压开启性能

型槽端面干式气体密封的开启特性对密封的启动、停车和运行具有重要实际意义。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,建立了干式气体密封的动压开启性能分析模型。开展了螺旋槽端面干式气体密封、带内环槽的螺旋槽端面干式气体密封和雁型槽端面干式气体密封等三种典型型槽端面干式气体密封的临界动压开启性能研究,数值分析了不同工况下三种型槽密封端面气膜压力分布,研究了环颈长比、环颈宽比、平衡比、弹簧比压和密封压力对临界开启转速、动压开启力比等开启性能参数的影响规律。结果表明:端面型槽的动压效应直接决定干式气体密封的临界开启转速,平衡比、弹簧比压对密封的动压开启性能影响较大,而环颈长比影响很小;在相同操作条件下,三种型槽端面密封相比较,雁型槽端面干式气体密封最易开启,带内环槽的螺旋槽端面干式气体密封次之,螺旋槽端面干式气体密封最难开启。     

不同形状方向性型孔液体润滑端面密封性能对比

表面微孔的方向性可以改变密封间隙中流体的流向,在孔区末端汇聚产生明显的流体动压效应,使摩擦副端面打开,形成全膜润滑。以不同开孔形状(圆形、菱形、椭圆形、长方形)型孔端面密封为研究对象,考虑润滑液膜中的空化现象,基于质量守恒JFO空化算法建立数值模拟模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得端面膜压分布。对比分析了在不同操作参数和几何结构参数下不同开孔端面密封性能。结果表明:相比于圆孔,在低速或高压下,方向性型孔都具有较好的动压效应,且长方形孔的动压开启力最好,菱形孔泄漏率较小。当膜厚h0=1.5~2.5μm,孔深hp=2~3μm,长短轴比γ=3~4,反向开孔比β=0.5,倾斜角α1=30°~50°、α2=120°~140°时,不同形状方向性型孔可获得最佳的动压密封性能。     

基于Polyflow的密炼机转子端面螺旋槽密封模拟分析

采用Polyflow软件模拟分析密炼机转子端面螺旋槽内流体的速度和压力分布,以进一步确定端面螺旋槽对转子密封能力的影响。结果表明,转子端面螺旋槽对胶料有较好的泵送能力,产生良好的密封作用,且在一定范围内,转子转速越高,转子端面螺旋槽的泵送能力越强,转子密封效果越好。该结果为今后的密炼机研究和生产提供一定的依据。     

扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能分析

密封端面开启力是保证非接触式机械密封非接触运行的重要指标。为克服普通自泵送流体动静压型机械密封端面开启力随转速增大而减小这一不足,基于离心式泵或压缩机的扩压器工作原理提出了一种扩压式自泵送流体动静压型机械密封。数值模拟比较了普通自泵送和扩压式自泵送流体动静压型机械密封的密封性能,探讨了密封面结构参数和工况参数对扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能的影响规律。结果表明:扩压式自泵送流体动静压型机械密封相比同等螺旋槽参数的普通自泵送流体动静压型机械密封的密封界面开启力提升了50%以上,并随转速增大而增大;随着扩压环槽增宽,开启力和泄漏率都显著增大;减小扩压环槽深度,能有效提高开启力;扩压环槽结构尺寸的变化基本不影响槽扩宽比、槽数和螺旋角对密封性能的影响规律。在一定的工况参数下,通过结构参数匹配,扩压式自泵送流体动静压型机械密封可以获得较优的密封性能。     

反向瑞利台阶构型液膜空化性能与机械密封空化抽吸效应评价

针对瑞利台阶构型,采用有限单元法基于JFO空化边界条件求解Reynolds方程,建立了流体动压润滑数值模型。对比了正向和反向瑞利台阶构型的液膜压力与密度比分布,评价了反向瑞利台阶构型在不同操作工况与结构参数下的液膜空化性能。阐释了反向瑞利台阶机械密封液膜空化抽吸机理并对比分析了其密封性能,评价了液膜空化抽吸效应水平。结果表明,结合操作工况在合理的结构设计下,反向瑞利台阶主槽区域可产生充分的液膜空化效应,从而使其机械密封具有良好的空化抽吸效应,可实现密封介质的零泄漏或反向抽吸。     

不同形状方向性型孔液体润滑端面密封性能对比

表面微孔的方向性可以改变密封间隙中流体的流向,在孔区末端汇聚产生明显的流体动压效应,使摩擦副端面打开,形成全膜润滑。以不同开孔形状（圆形、菱形、椭圆形、长方形）型孔端面密封为研究对象,考虑润滑液膜中的空化现象,基于质量守恒JFO空化算法建立数值模拟模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得端面膜压分布。对比分析了在不同操作参数和几何结构参数下不同开孔端面密封性能。结果表明：相比于圆孔,在低速或高压下,方向性型孔都具有较好的动压效应,且长方形孔的动压开启力最好,菱形孔泄漏率较小。当膜厚h₀=1.5～2.5 mm,孔深h_p=2～3 mm,长短轴比γ=3～4,反向开孔比β=0.5,倾斜角α₁=30°～50°、α₂=120°～140°时,不同形状方向性型孔可获得最佳的动压密封性能。     

关于上游泵送机械密封的应用的若干思考

上游泵送机械密封主要是借用低压流体的主要特性来实现对高压流体密封的一项全新的密封新技术,它所具备的一个最为典型的特点就是在一密封端面开有起上游泵送功能的浅槽。本文主要基于上游泵送机械密封的工作原理,然后阐述其实际的应用,旨在为更好地认识和应用上游泵送机械密封技术提供一定的借鉴与参考。     

相变对螺旋槽液膜密封性能的影响

为了探究液膜相变现象对螺旋槽液膜密封性能的影响。基于质量守恒定律,以赫兹方程推导质量源项并建立非接触式液膜密封相变模型。使用有限体积法对控制方程进行离散,分析了液膜相变现象对非接触式机械密封性能的影响。结果表明:相变现象对密封性能的影响与密封功用密切相关,且动压槽开槽位置及槽内相态分布对密封性能与端面压力分布影响显著;液膜发生相变后,下游泵送型密封开启力增大且泄漏量减小;上游泵送型内槽式密封开启力先增大后减小,泄漏量先减小后增大再减小,外槽式密封开启力呈线性增大,泄漏量先减小后增大;相变发生在槽区时,会导致动压效应明显减弱,对端面压力分布影响较大。     

相变对螺旋槽液膜密封性能的影响

为了探究液膜相变现象对螺旋槽液膜密封性能的影响。基于质量守恒定律,以赫兹方程推导质量源项并建立非接触式液膜密封相变模型。使用有限体积法对控制方程进行离散,分析了液膜相变现象对非接触式机械密封性能的影响。结果表明：相变现象对密封性能的影响与密封功用密切相关,且动压槽开槽位置及槽内相态分布对密封性能与端面压力分布影响显著;液膜发生相变后,下游泵送型密封开启力增大且泄漏量减小;上游泵送型内槽式密封开启力先增大后减小,泄漏量先减小后增大再减小,外槽式密封开启力呈线性增大,泄漏量先减小后增大;相变发生在槽区时,会导致动压效应明显减弱,对端面压力分布影响较大。