超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象,分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化,在考虑阻塞流效应的同时,采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解,分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明:S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中,如果工况参数设置合理,将由超临界态逐渐转变为气态,并不会出现液态;较低的进口压力、进口温度以及转速,均会容易导致潜在的凝结流动发生;相比于工况参数对相态分布的影响,槽形参数对相态分布的影响较小,近乎可以忽略;开启力除了随进口温度的升高而减小外,均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大;泄漏率随进口温度和转速的增大而减小,但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。     

机械密封环热应力的有限元计算及分析

利用ANSYS 8.0有限元程序对密封环稳态温度场进行数值计算,并用热-结构耦合法计算密封环的热应力,获得了密封环的三向应力(径向、轴向、周向)及Mises等效应力,得到其最大值及其位置。     

柱面螺旋槽气膜密封微尺度流动场稳态特性分析

针对燃气轮机转子振动较大的特点,提出一种新型柱面螺旋槽气膜密封。利用考虑滑移边界条件下的微尺度效应稳态柱面雷诺方程,求解柱面气膜的压力的近似解析解,获得柱面螺旋槽气膜量纲1浮升力、泄漏量以及摩擦转矩,并讨论了工况参数和螺旋槽结构参数对稳态性能的影响。综合考虑参数对稳态特性的影响,提出优化结构参数。结果表明:密封压差对稳态特性的影响要远大于偏心率。在不同的偏心率下,螺旋槽槽数对浮升力的影响不明显,随着槽数的增加,摩擦转矩升高,泄漏量降低并在槽数n=12左右趋于稳定;随着槽深的增大,浮升力呈下降趋势,摩擦转矩和泄漏量相应增大;随着密封宽度增大,浮升力呈上升趋势,但偏心率不同,上升幅度不同;泄漏量在密封宽度L=0.035 m处基本稳定。螺旋角的增大导致了浮升力的下降,摩擦转矩和泄漏量呈上升趋势。在密封压差的作用下,摩擦转矩随着4种结构参数的增大而上升。槽数增大导致浮升力下降,与槽深的影响刚好相反。随着密封宽度的增加浮升力先降低后升高,与螺旋角的影响刚好相反。槽数和密封宽度的增加导致泄漏量快速下降至稳定值。提出优化的结构参数如下:槽数n=12~18,密封宽度L=0.03~0.045 m,螺旋角α=40°~50°。     

基于波箔片变形的浮动式箔片气膜密封性能分析

为保证应用于航空发动机动密封的稳定运行，针对浮动式箔片气膜密封，采用考虑库仑摩擦作用的波箔片刚度模型，利用中心差分法和超松弛迭代法耦合求解箔片变形方程、压力控制方程和气膜厚度控制方程，并运用小扰动法，结合压力与箔片变形的平衡关系，获得锲形润滑气膜的流场分布，分析了工况参数、箔片结构参数以及直线动压槽分布位置对密封静、动态特性的影响规律。研究结果表明：受益于密封面的变形作用，浮动式箔片气膜密封可根据运行工况自主调节气膜间隙；进口直线槽的气膜浮升力和泄漏量均大于中间直线槽；密封特性与气膜压力和密封间隙密切相关，但受到库仑摩擦效应的影响很小；库仑摩擦效应和加厚箔片都可在一定程度上增大箔片刚度，使得密封表面变“刚”；浮动式箔片气膜密封在高转速服役环境下的综合表现良好。研究成果为今后浮动式箔片气膜密封的结构设计和试验测试奠定了理论基础。     

湍流效应对空化流场及密封性能的影响

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以及空化区域面积的影响。研究结果表明：端面螺旋槽液膜密封在湍流状态下的开启力、泄漏率以及空化面积比均大于层流模型下的值,且随着几何参数和工况参数的变化,层流效应和湍流效应对密封开启力、泄漏率以及空化面积比的影响规律基本相似;在不同条件下,螺旋槽外径侧更容易产生空化效应,且湍流效应下的空化区域明显大于层流效应下的值。研究表明在端面螺旋槽液膜密封中,湍流效应和空化效应对密封稳态性能的影响不可忽略。     

单层扁锥面网壳非线性动力稳定性分析

用拟壳法建立了正三角形网格的三向扁锥面单层网壳的非线性动力学微分方程。在周边固定条件下,用分离变量函数法给出网壳的横向位移。由协调方程求出张力,通过Galerkin作用得到了一个含二次、三次的非线性微分方程,在不考虑外激励情况下,此系统有三个平衡点。通过求Floquet指数讨论了零平衡点邻域的稳定性问题。为了研究系统的混沌运动,在给定的初始条件下,对此动力系统的非线性自由振动方程进行了求解,首次得到了带平方和立方非线性系统的准确解,使得求Melnikov函数成为可能。用复变函数中的留数理论求出了Melnikov函数,得到了发生混沌的临界条件,通过数值仿真和Poincare映射也证实了混沌运动的存在。     

干气密封螺旋槽内气体流场的有限元模拟

利用ANSYS8.0对螺旋槽干气密封槽内气体层流流场进行了二维模拟分析,得到了气体的压力分布及速度分布云图,并分析了运算结果。     

螺旋槽干气密封环端面摩擦试验及其性能分析

干气密封环端面在启停阶段和由于制造装配误差等造成非正常运行时存在严重的端面接触摩擦，有必要对干气密封动静环进行摩擦学试验，从而分析并探讨其摩擦学特性。利用端面摩擦磨损试验机，选定合适的工况参数与相应的测试技术对螺旋槽干气密封环进行测试，研究不同工况下的摩擦学特性。结果表明：在特定工况下的试验中，螺旋槽干气密封端面存在明显的磨合现象；当工况从226 N、150 r·min^-1增大至1130 N、500 r·min^-1时，石墨环磨损量最大增加193.3%，摩擦系数最大降低22.3%，说明石墨环的自润滑性影响密封端面的摩擦性能；由于端面间螺旋槽的存在，石墨环内圈磨损大于外圈。试验结果可为今后端面摩擦学性能的优化提供依据。     

基于ANSYS的不同类型焊接金属波纹管的瞬态动力学分析

采用ANSYS软件中的模态叠加法对3种焊接类型的金属波纹管进行瞬态动力学分析,分别得出它们的位移-时间曲线和应力-时间曲线.通过分析比较可知,在相同工况下,双圆弧的位移最小,三圆弧的次之,单圆弧的最大;三圆弧的应力最大,单圆弧和两圆弧的相差不大.综合考虑两种因素,双圆弧波纹管是最佳选择.     

真空环境下C形密封圈力学性能和泄漏率的有限元分析

利用大型非线性有限元软件Marc建立了C形密封圈(简称C形圈)三维有限元模型,用单轴拉伸试验确定了C形圈材料聚四氟乙烯的参数。介绍了C形圈密封机理以及泄漏通道的形成机理。重点分析了介质压力对C形圈主材料聚四氟乙烯的最大Von Mises应力的影响以及C形圈压缩率和介质压力对C形圈主材料聚四氟乙烯接触应力的影响。同时,利用罗思·A密封理论分析了C形圈压缩率以及密封件表面粗糙度对C形圈泄漏率的影响。研究表明:当介质压力增大时,C形圈聚四氟乙烯部分的最大Von Mises应力整体是增大的;随着C形圈压缩率和介质压力的增大,C形圈聚四氟乙烯部分的接触应力也在增大;C形圈的泄漏率随着压缩率的增加而减小,随着密封件表面粗糙度的增大而增大。