高速箔片端面气膜密封热质传递规律研究

为探究高参数弹性箔片端面气膜密封热性能并开展结构优化设计,基于流体仿真分析软件,建立箔片端面气膜密封热性能分析模型,考虑空气介质实际气体效应影响,研究密封端面气体流动和传热特性,分析不同工况和结构参数对密封端面各流体、固体域最高温度和平均温度的影响。结果表明：箔片端面气膜密封热量主要集中分布在平箔片和密封坝上;随着转速的上升或入口压力、最小气膜厚度的减小,密封环组件各流体和固体域平均和最高温度增大;各流体和固体域平均和最高温度随楔形高度和节距比的增大而减小。     

核主泵流体动压型圆形深槽密封的热流耦合分析

以核主泵流体动压型圆形深槽第二级密封为研究对象,建立包括密封环、端面液膜和密封腔组成的三维跨尺度传热系统。采用Fluent软件,在流固交界面采用强制耦合,求解能量方程和N-S方程,获得端面间液膜、密封环、密封腔的流场分布、压力分布和温度分布,在此基础上研究转速、冲洗量和冲洗进出口位置对三维传热系统的影响。结果表明:冷却冲洗对于密封环的散热有显著效果;深槽能降低密封端面的温度,起到局部的冷却作用;深槽结构以及流体惯性作用,导致深槽两侧存在压力梯度;转速对温度场的影响远大于冲洗量的影响;冲洗进出口位置对密封环、密封腔的温度场影响较大,冲洗进出口位置均存在最优值,进口在无量纲量L/L0为4/7处最优,出口位于动环外周凸台处有较好的冷却效果。     

粗糙液膜机械密封液汽相变研究

以逆向重构的确定性粗糙表面机械密封模型为依据，建立机械密封微间隙三维粗糙液膜流动计算模型；联立黏温效应与流体物性参数，对比光滑模型和粗糙模型的流速、端面压力、温度和相态规律；研究粗糙模型在不同载荷和转速下对液膜密封汽化相变特性以及密封性能关键参数的影响。研究结果表明：粗糙模型受温度变化程度更大，从478 K增加到了493 K;相态分布均随温度的升高而增大，其中同一温度下，粗糙模型的汽相分布更多，且在493 K之后出口相变程度就达到了100%,最大相体积分数增加11.73%。从而推断出：随着压力升高，端面汽相占比逐渐降低，而转速增加促进了汽化的发生。     

基于ANSYS的机械密封副温度场模拟

机械密封中,密封副端面的温度对整套密封装置的安全性、稳定性起着关键作用,为了模拟实际工况下密封副端面温度场的变化,建立了机械密封副的传热模型,在合理的假设条件下,通过相关计算,确定了动环、静环各自传递的热流率密度、与密封流体的对流传热系数以及冲洗流体的影响等关键参数,最后利用有限元分析软件ANSYS10.0进行了数值计算,得到了密封副温度场的变化规律、最大值及其位置,认为冲洗是降低密封端面温度的一种有效措施,为机械密封方案的设计提供了理论依据。     

新型动静压混合润滑机械密封流场数值研究

以流体膜为研究对象,建立了新型动静压混合润滑密封端面的三维模型,并利用流体力学软件FLUENT对端面流场进行数值模拟,得出端面液膜的压力分布及速度分布.通过与静压和动压式密封对比,分析了操作参数(如封液压力、转速)对密封性能的影响规律.结果表明,该密封兼有动压与静压两种密封形式的特点,泄漏量小,液膜刚度大,适合于低速非接触密封.     

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。     

非接触式机械密封端面温度求解方法

针对工程中密封环端面温度难以测量的情况,研究非接触式机械密封端面温度求解方法。建立有限元传热模型,对密封环传热进行正向计算,获得密封环稳态温度分布;对有限元方程进行修改,基于修改后所得计算结果使用多项式拟合与Trefftz方程近似2种方法对端面温度进行预测,并对2种方法的精度进行对比;减少已知温度节点的数量,即相当于在工程中减少热电偶的使用数量,在有限元方程中使用修改后的插值函数对剩余节点温度进行计算,并以此插值函数讨论已知温度节点数量对计算结果的影响,在确定最优值后对不同参数下的预测误差进行对比。结果表明:2种预测方法所得结果误差都随着转速的增加而增大,随密封介质温度的升高而减小,但Trefftz方程所得的预测效果要好于多项式;经过计算发现使用4插值节点所得的结果与精确解吻合良好。     

基于ANSYS的高压机械密封温度场理论研究

根据热平衡方程推导出高压机械密封中的温升计算公式,并建立了机械密封件温度场的有限元模型,利用ANSYS分析软件求解密封环内部各节点的温度。根据温度场分布图,对影响密封环热影响的主要因素进行了讨论。结果表明:密封端面温度最高且靠近内径方向,应通过改善散热和加强冷却防止因摩擦热使正常压力下的液膜流体达到沸点并汽化;密封介质压力、密封端面的平均直径和转速的增加都会使摩擦热增加,从而使密封端面温度升高;不同密封介质的摩擦因数和传热系数会造成不同的温升;导热率越高扩散热量也就越多,选择导热率高的密封材料能有效地降低密封环温度。     

泵用机械密封端面结构对流场特性的影响分析

依据泵用机械密封动、静环端面结构的夹角大小,建立平行、收敛、扩散三种间隙类型的流体膜三维模型,通过添加实际工况条件下的边界条件,数值模拟其流体膜的压力、承载力分布规律,结果表明,平行间隙中流体膜压力呈线性分布,而收敛、扩散间隙压力呈非线性分布,且收敛间隙中的流体膜压力大于扩散间隙中的压力;而平行间隙流体膜承载力要大于扩散间隙,而小于收敛间隙;同时探究了端面间夹角大小,转速对流体膜压力和承载力的影响规律,探究结果为泵用机械密封端面间隙类型的选择提供了理论指导,也为后续密封环变形对流场特性影响的研究打下了基础。     

多锥角收敛间隙流体静压密封的数值分析

根据单锥角收敛间隙流体静压密封模型,提出多锥角收敛间隙流体静压密封的结构,建立双锥角和三锥角流体静压密封端面间液膜数值分析模型,采用Fluent流体分析软件计算得到端面间的压力和速度分布,分析工作参数如转速、压力,密封结构参数如锥角等对密封性能的影响。结果表明:双锥角或三锥角模型,当其任意一个锥角增大,泄漏量和开启力都增大;越靠近内径的锥角大小对密封性能的影响越大;转速对密封性能影响不大;增加锥角数量,可改善压力分布,提高开启力。     

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。     

大轴径离心压缩机磁流体密封传热特性研究

高温会降低磁流体饱和磁化强度,造成永磁铁退磁,影响磁流体密封装置的可靠性及稳定性。为探讨磁流体密封装置传热特性,以大轴径离心压缩机磁流体密封为研究对象,同时考虑磁流体摩擦热和轴承摩擦热对磁流体密封装置传热特性的影响,利用有限元数值计算与磁流体、轴承摩擦功耗理论分析相结合的方法,研究磁流体密封装置温度分布规律,分析齿宽、密封间隙和转速对永磁铁和磁流体最高稳态温度的影响,并确定相关工况所需冷却液质量流率。结果表明：由于轴径尺寸较大,表面线速度高,磁流体黏性摩擦热及轴承摩擦热对密封装置传热特性有显著影响,在无冷却工况下,密封装置最高温度超过磁流体和永磁铁的极限使用温度,需通过强制对流换热的方式进行降温处理;永磁铁及磁流体最高稳态温度随着齿宽增加而升高,随着密封间隙增加而减小;随着转速的增加,永磁铁及磁流体最高稳态温度升高,且转速越大,相同转速梯度差之间的温度差越大。     

斯特林机活塞杆帽式组合密封动密封性能分析

为研究斯特林发动机活塞杆无油润滑帽式组合密封的动密封性能,利用有限元分析软件Abaqus建立帽式密封的二维轴对称有限元模型,基于系统实际工况,研究工质压力对帽式密封性能的影响,得到不同压力下的有效密封区域。静态密封性能分析结果表明,帽式密封环与活塞杆的接触应力是密封的关键,动态密封性能分析结果表明,两者接触应力和密封区域随压力增大而增大,且外行程接触应力略大于内行程。通过热力耦合动态仿真模拟,分析环境温度、摩擦因数、往复运动速度对动密封性能的影响。结果表明:环境温度对帽式密封温度场影响不大,热源主要来自摩擦热;往复运动速度对其密封性能影响也不大,而摩擦因数的影响较大,摩擦因数越小,帽式密封的密封效果越好,使用寿命越长。     

Thermal analysis of locked multi-ring oil seals

A thermal bulk-flow analysis for the laminar/turbulent flow in short-length locked multi-ring oil seals is presented. The model accounts for fluid inertia and viscous loss effects at the inlet of the first land in a multi-land oil seal package. The continuity, momentum and energy equations are solved numerically in the seal lands by means of a finite volume method. A radial heat transfer model is used for energy transfer to the seal bushing. Predictions show that multi-land seals have consistently smaller load capacities, stiffness and direct damping coefficients than single-land seals. Temperature increments up to three times the inlet temperature are determined for the seal cases analysed. Comparison between the present model and an isothermal analysis based on an average fluid temperature shows that the latter method overpredicts the cross-coupled stiffness and direct damping coefficients.     

斜直深槽机械密封环端面变形研究

深槽密封是通过力变形和热变形在密封面形成周向的波度和径向的锥度,从而产生热流体动力楔效应。通过热平衡分析和模型简化,应用有限元软件建立斜直深槽机械密封有限元分析模型,并对密封环温度场、力热变形进行求解,获得斜直深槽密封环的温度分布规律以及热变形规律。分析结果表明:斜直深槽密封端面结构产生的变形,能够形成周向波度和径向锥度,能够产生一定的流体动压效应,但规则波形的产生同流体槽的结构参数有关,需针对具体的工况参数进行相应的优化设计,方能达到所需要的流体动压效果。     

基于流固热耦合的浮环密封力学特性数值研究

考虑温度的影响,建立浮环密封力学特性流固热耦合数值求解模型,在验证计算方法准确性的基础上,研究浮环密封的流场特性,以及石墨烯、石墨、铝合金以及碳化硅4种材料的浮环密封在不同进口压力、温度时的力学特性。结果表明：浮环密封在偏心时,由于楔形间隙的存在,气流经过这种结构产生流体动压效应,在较薄的流体域一侧形成局部高压区,较厚的一侧压力无明显变化,而温度沿轴向方向逐级升高,且偏心率越大,偏心位置的温度越大;浮环密封流体域温度随着进口压力的升高而降低,因温度影响材料的属性,使得不同材料的浮环密封结构对温度会很敏感;不同材料浮环密封的变形量随进口压力的增加而减小,应变也随着进口压力的增加而减小;4种材料浮环密封的变形量与应力均随着进口温度的增加而增大。     

空化效应对斜线槽机械密封性能的影响

润滑膜的空化效应对流体动压型机械密封的密封性能影响显著。以煤油基磁流体润滑斜线槽上游泵送机械密封为研究对象,考虑空化热效应以及黏温效应,建立润滑液膜特性的数值分析模型,以液膜中的气相体积分数为指标,研究工况和结构参数对密封性能的影响规律,并与仅考虑黏温效应的模型进行对比。结果表明：因空化热模型考虑液膜介质饱和蒸汽压力随温度变化,考虑空化热效应时的开启力、泄漏率和气相体积分数均小于仅考虑黏温效应下的对应值,但2种条件下各参数的变化趋势基本一致;转速和槽径比增大,空化效应增强,而进口压力、膜厚、径向夹角和槽数的增大会削弱空化效应;转速、槽深、径向夹角、槽径比增加,会导致泄漏率增加,而进口压力和槽数的增加能够提升密封性能。     

超临界CO2冷却条件下水平微圆管中对流换热特性

采用Y-S低雷诺数模型对超临界CO2在直径100μm的水平管内冷却对流换热特性进行了数值模拟。分析了不同CO2进口雷诺数对超临界CO2对流换热的影响,并以Re=10000为例,研究了管内不同截面径向流体无量纲温度、无量纲速度、湍动能分布情况。结果显示,对流传热系数随着进口雷诺数的增加而增加,传热系数峰值出现在CO2准临界温度点附近,该截面上流体湍动能和速度达到最大。