剖分式机械密封传热及耦合变形的数值研究

为研究剖分式机械密封变形规律,建立剖分式机械密封三维传热模型,计算剖分环端面摩擦热、摩擦热分配系数及对流换热系数,研究主轴转速、冲洗量对剖分环温度场、热变形及热-力耦合变形的影响,同时分析箍紧力对剖分环热-力耦合变形的影响。研究结果表明:温度最高点位于密封端面内径侧,且碳石墨剖分静环的密封端面温度比碳化硅动环的高,密封端面和分型面在温度场作用下产生正锥度变形,而箍紧力可以减小密封端面及分型面的变形;剖分动静环的端面和分型面热变形锥度随转速的增大,均呈现增大趋势,端面的耦合变形锥度也随之增大;冲洗量增大,剖分动环端面和分型面热变形锥度减小,端面耦合变形锥度减小,剖分静环变形规律相反;箍紧力增大,剖分动环、静环端面耦合变形锥度增大。     

深海机械密封端面摩擦及变形特性研究

以深海推进器等水下设备用机械密封为研究对象,建立机械密封环模型,考虑深海变工况下接触端面摩擦因数的差异性,采用分离法分别对机械密封动、静环端面进行热-力耦合变形分析,并对分别考虑密封环热变形、力变形、热-力耦合变形的分析结果进行比较。结果表明:接触端面摩擦因数大小与介质压力、转速、液膜厚度等因素有关,端面摩擦因数随介质压力增大而减小,随转速增大而增大,随液膜厚度增大而减小;单一力变形、热变形分析与热-力耦合变形分析结果差别较大,热-力耦合分析结果要比单一变形分析更接近实际、分析更准确;瞬态工况下,端面温度及端面接触应力峰值均出现由外向内的变化趋势,端面接触状态受端面温度分布影响明显。     

干气密封热变形影响因素分析

热变形是影响干气密封性能、使用寿命及密封失效的主要原因之一.以某合成气压缩机T型槽干气密封稳态时动环的热变形分析为例,基于有限元分析软件ANSYS,详细研究了工况参数、材料参数、几何参教等对密封环热变形的影响.数值模拟结果表明:低速工况下密封环热变形较小,约束条件和几何形状对密封环端面热变形曲度影响更为显著,几何参数对密封环端面变形影响比材料参数更大;并得出了各因素对密封端面热变形量和热变形锥度影响的因次顺序.分析结果对于密封环变形的控制、密封设计及优化具有指导意义.     

基于热力耦合的镶嵌式机械密封端面变形分析

以镶嵌式机械密封为研究对象,通过受力分析和热传导方程,将热、力两个物理场进行耦合求解,建立机械密封动环组件热力耦合仿真模型。基于热力耦合模型计算不同应力情况下端面变形量和不同过盈量下的结合面接触应力、端面变形量,并分析动环厚度对端面温度场、应力分布以及端面变形量的影响。结果表明,热应力对端面变形的影响大于结构应力,故不能忽略热应力对机械密封组件的影响;动环过盈量增大使得端面变形量和结合面接触应力逐渐增大,动环厚度的增大使得最大温度呈下降趋势,最高温度出现在动环内径处,端面间隙由收敛型转变为发散型。因此,在对机械密封结构进行设计时,采用较小的过盈量和动环厚度,可以减少动环端面的变形量。     

机械密封热变形研究进展

机械密封是旋转机械中常用的一种轴密封,受力情况复杂,工作条件非常恶劣,介质压力和弹簧力的作用使得密封端面产生机械变形,端面容易呈现局部接触,当机械密封动环以高速旋转时,端面间的接触摩擦和端面对液膜的粘切作用而产生热,引起密封端面温升和热变形.端面热变形是密封失效的主要原因之一.从密封环温度场、变形、耦合变形、优化等方面综合评述了机械密封热变形的研究现状,分析存在的问题,最后指出进一步的研究方向.     

基于热-固耦合的船舶艉轴密封环材料对密封性能的影响研究

在采用螺旋桨推进的船舶中,为防止海水沿螺旋桨流入船内,在艉轴管中设置了密封。由于其工作于恶劣的深水环境中,因此选用可靠的艉轴密封环材料对船舶运行至关重要。本文根据不同船舶艉轴密封环材料对密封性能的影响,利用有限元软件建立热-固耦合数值分析模型,计算得到了不同材料密封环的温度场、变形场、应力场,分析了弹性模量、热膨胀系数、导热系数等材料参数对密封环变形、温升、摩擦磨损及泄漏量的影响,最终选取了最优的船舶艉轴机械密封动环材料。结果表明：SiC动环材料的密封环组合端面温升最小,S30408动环材料的端面变形最大,密封端面的热变形大于力变形,热膨胀系数对密封性能影响最大,综合考虑温升和材料参数对密封环变形和密封性能的影响,选择最优的动环材料为Cr₂O₃。     

离心力对高速气膜密封动环变形d的影响

研究离心力对高速气膜密封动环变形的影响。利用ANSYS121计算高速工况下气膜密封动环在考虑离心力与忽略离心力2种情况下的力变形及热力耦合变形,对比2种情况下动环的总变形值、端面轴向变形以及端面锥度等。结果表明：忽略离心作用时动环力变形和热力耦合变形数值偏小,误差为1648%～3753%;离心作用对动环端面轴向变形的影响在外径侧更为明显,同时使动环端面的平均径向锥度由发散的负锥度变为收敛的正锥度;忽略离心作用时端面变形误差沿径向增大,且随转速增加而增大;在高速工况下动环力变形及热力耦合变形的计算中,离心作用不容忽略。     

离心力对高速气膜密封动环变形的影响

研究离心力对高速气膜密封动环变形的影响。利用ANSYS12.1计算高速工况下气膜密封动环在考虑离心力与忽略离心力2种情况下的力变形及热力耦合变形,对比2种情况下动环的总变形值、端面轴向变形以及端面锥度等。结果表明:忽略离心作用时动环力变形和热力耦合变形数值偏小,误差为16.48%~37.53%;离心作用对动环端面轴向变形的影响在外径侧更为明显,同时使动环端面的平均径向锥度由发散的负锥度变为收敛的正锥度;忽略离心作用时端面变形误差沿径向增大,且随转速增加而增大;在高速工况下动环力变形及热力耦合变形的计算中,离心作用不容忽略。     

基于ANSYS的剖分式机械密封数值分析

运用ANSYS有限元软件对剖分式机械密封动环、静环3D模型进行数值模拟,研究不同螺钉预紧力、介质压力和弹簧比压下剖分式机械密封的分型面对整体机械密封的影响及分型面的连接紧密性。结果表明：连接螺钉应力分布符合螺钉实际受力情况,验证了利用有限元法模拟仿真的正确性;不同工况下,承载螺钉预紧力的剖分式机械密封动、静环端面变形均呈轴对称、连续性分布,且适当的螺钉预紧力能有效减小端面变形,降低分型面对密封环整体性的影响;螺钉预紧力是影响分型面变形的主要因素,且随着螺钉预紧力增大,可有效降低分型面的变形量,提高分型面连接的紧密性.     

船舶艉轴双端面密封端面热-力耦合变形及影响因素分析

针对在深海湖泊等复杂极端工况下船舶艉轴由于密封端面变形产生过大间隙,导致泄漏的问题,通过建立船舶艉轴热-力耦合分析模型,分析不同工况下,3组典型密封端面材料组对（YNW8-M106D、SiC-M106D、S30408-M106D）的密封环端面温度、应力及变形变化规律;分析海水环境下材料、转速及弹簧比压等主要影响因素及密封端面变形的影响及影响程度和权重。结果表明：转速升高100%,使得密封端面温度、应力及变形增加35%,43%及49%,弹簧比压升高100%,使得密封端面温度、应力及变形增加17%,5%及14%,应限制其最大值,防止密封失效;材料的热膨胀系数及导热系数对密封端面的影响最大,合理选取动静环材料有利于减少端面变形;选取出适合转速400 r/min、弹簧比压0.2工况下的最优材料（Si C-M106D）配对,使得船舶艉轴平衡可靠并长寿命运转。本文的模型和计算方法可为船舶艉轴密封结构的设计提供参考。     

力载荷下分瓣式碳环密封结构变形研究

为探究力载荷下分瓣式碳环密封结构参数对密封面径向变形的影响规律,采用数值计算求解压力控制雷诺方程,获得气膜压力,再结合有限元分析软件进行流固热耦合仿真模拟,探究特定工况下不同结构参数对碳环变形的影响,分析主密封面径向变形特性。研究表明：力变形中,防转销的安装位置对碳环径向变形量影响最大,选取恰当的安装位置可减小径向变形量;外部凸结构不均匀且圆心角比例较大时,径向变形量较小;两侧搭接口比例越大时径向变形量越小;拉紧弹簧和压紧弹簧的选取对碳环径向变形量影响较小;弹簧压力越大时径向变形量越小,但弹簧压力过大时,容易导致碳环磨损加剧、断裂甚至密封失效,应参考实际工况选择适当弹簧压力。研究结果为分瓣式碳环密封的结构优化设计提供参考。     

超临界二氧化碳干气密封热-流-固耦合建模与变形特性分析

为研究超临界二氧化碳干气密封密封环的变形分布,揭示工况条件对密封环变形的影响规律,在考虑CO₂真实气体效应的同时,建立考虑密封环对流换热的热-流-固耦合计算模型,借助CFD和CSM计算机仿真技术,研究超临界二氧化碳干气密封动、静环在多重载荷共同作用下的变形规律。研究结果表明:密封环轴向最大热-流-固变形出现在耦合面,热变形和力变形方向相反,其中热变形起主导作用;转速增大,密封环最大轴向热变形和力变形增大,动环最大轴向热-流-固耦合变形减小;介质压力增大,动环和静环最大轴向力变形分别增大66.25%和6.18%,最大轴向热变形和热-流-固耦合变形均减小;进口温度上升,动环和静环最大轴向热变形分别增大40.79%和34.90%,最大轴向力变形基本不发生改变。     

压缩式胶筒肩部突出变形试验研究

为了进一步提高封隔器的承压密封性能,利用专用试验装置研究胶筒在不同坐封力及工作压差下的肩部突出变形;对装有整体伞形保护环的胶筒进行轴向压缩试验,分析伞形保护环对胶筒突出变形的影响。结果表明:压缩式胶筒在承压过程中进一步被工作压差产生的轴向力压缩,导致胶筒肩部突出变形加剧,并伴随发生蠕动松弛现象,影响胶筒的密封性能;整体伞形保护环的设计与应用,有利于抑制胶筒肩部的突出变形,提高胶筒的密封性能。     

旋转式唇型圈停车密封开启全过程密封特性研究

为探究旋转式密封圈脱开全过程的密封性能参数变化,借助非线性有限元软件ANSYS,建立三维的"超弹性体"的两参数Mooney-Rivlin橡胶模型、弹簧和"刚体"的静止轴模型,研究传统唇型密封圈和2种新型唇形密封圈(G形与S形)在脱开过程中接触压力、接触宽度、摩擦力的变化规律,分析入口压力、过盈量、弹簧力、橡胶密度对脱开...     

航空发动机气膜浮环密封上浮性能研究

为研究气膜浮环的上浮性能,针对航空发动机主轴承箱的气膜浮环密封系统,建立浮环的有限元模型并提出一种上浮转速的计算方法。采用Ansys建立密封组件的有限元模型,提取浮环与跑道的径向变形,得到浮环密封的动态间隙。采用Fluent建立浮环密封偏心气膜模型,提出浮环上浮转速与泄漏率的计算流程。在先增压至工作压力再增速和先增速到工作转速再增压2种操作条件下分析各结构参数、操作参数对浮环上浮转速的影响,并搭建试验台进行试验验证。结果表明:低压差下气膜浮环的泄漏率与偏心率呈近似二次关系,上浮力随偏心率增大而增大但会有一个畸变过程;在保证密封性能的前提下工程设计时应选取较小的波簧弹力,较大的节流长度。不同的操作方式下各密封参数对气膜浮环上浮性能的影响呈现很大的差异性,综合来说先增速后增压时上浮性能较好,有条件时开车前应先进行上浮性能的分析再选择操作条件施加的顺序。     

涡轮增压器密封环的温度场及热变形研究

概述了涡轮增压器密封环的工作条件，提出用有限元法计算涡轮增压器密封环的温度场及热变形，对影响密封环温度场和变形的各种因素进行了分析，为进一步研究密封环的变形影响和对增压器的整体结构优化设计起到了指导作用。     

压力自适应型机械密封的数值模拟研究

针对压力自适应型机械密封在高压工况下密封端面变形与密封性能不佳的问题,采用ANSYS中的计算流体力学软件FLUENT和有限元分析软件Mechanical APDL,在15.9 MPa高压工况下分别对密封端面间隙中的液膜流场和密封环进行了数值模拟分析研究,并将计算出的液膜流场状态和密封环变形结果进行了流固耦合求解,进而对液膜厚度对密封性能的影响规律进行了分析,同时对在实际工作状态下,工作压力逐渐上升,密封各性能参数的变化规律也进行了分析。研究结果表明,该密封在高压下的端面变形符合设计需要,密封环端面间的开启工作压力在3 MPa左右,在15.9 MPa高压工况下密封端面间流场的开启力为67.6 kN、泄漏量为0.04 m3/h,平衡膜厚为2.8μm。与其他类型的密封相比,结果显示该种密封能够在高压下提供足够的开启力和在低压下较小的泄漏量。     

矩形密封圈的增效运行参数研究

建立矩形密封圈的混合润滑模型,分析工作压力、活塞杆运行速度和密封件粗糙度对轴向往复用矩形密封圈的摩擦力矩、泄漏量的影响。结果表明:过大的密封压力会对密封件造成损坏,使得摩擦力和净泄漏量极速增大;往复速度的增加会使摩擦力线性增大,直线往复密封的净泄漏量随着表面粗糙度的增大表现为越来越大的增量。利用田口实验设计方法对矩形密封圈操作压力、运行速度和密封件粗糙度进行正交试验,分析得到最优参数组合,并得到各影响因素对密封性能的影响程度由大到小依次为往复速度、粗糙度、密封压力。     

Study on the design of ball valve based on elastic ring valve seat structure and fluid characteristics and fatigue strength

Aimed at the technical problems such as the influence of granular medium on spring pre-tightening force sealing, a new ball valve based on elastic ring valve seat structure is studied. The spring plate type valve seat structure is designed to cooperate with the ball core for sealing, and the blade spring coil is used to cooperate with the ball core for sealing in the spring plate type valve seat structure. Wherein the supporting back ring supports the blade leaf spring on the outer side to enhance and protect the role of the blade spring coil. The design without the spring cavity avoids the problem of sealing failure caused by medium entering into the spring cavity and affecting the compression spring, and avoids the situation that the valve seat can be sealed with the ball core by pre-tightening the compression spring, thus avoiding the problem of sealing failure caused by the valve seat sticking on the valve body. The mechanical and flow characteristics are studied and analyzed by the ball valve characteristic test system. The stem torque, unbalance torque, flow characteristics and flow coefficient variation at different nominal diameters are analyzed. The seal allowable squeeze stress and seal surface pressure are analyzed, and the seal is stable and reliable with the seal pressure meeting the seal design criteria. The fluid dynamics simulation analyzes the velocity, pressure and flow traces of the fluid flowing through the ball valve under three opening degrees: fully closed, half open and fully open, the maximum velocity-pressure and opening degree variation curves of the inlet and outlet, the maximum velocity-pressure and opening degree variation curves of the inlet and outlet under different nominal diameters and the flow resistance coefficient curves. Static strength analysis was done for the ball core and spring plate seat structure to obtain the stress, displacement, strain and safety factor. The fatigue strength of the ball spool and spring-loaded plate seat structure was analyzed, and the total number of lives (cycles) and load factors were obtained, and the results show that the fatigue strength of the ball spool and spring-loaded plate seat structure is safe and the fatigue strength meets the requirements. Ball valve pressure test, low pressure sealing test and high pressure sealing test, valve body strength and ball valve sealing performance all meet the requirements.     

双向连通槽热流固耦合热变形研究

针对传统的螺旋槽型不能满足旋转设备反向运转的密封要求的问题,根据双向槽型机械密封结构特点,提出一种双向连通槽型,通过建立热流固耦合模型,确立传热边界条件,采用ANSYS Workbench对几何模型进行单向耦合计算,讨论密封环在转速、压力作用下热变形规律.结果表明:双向连通槽泄漏量整体比螺旋槽型泄漏量小,且双向连通槽由...