基于湍流模型的碳环密封泄漏特性数值计算

为探究工况参数对湍流效应下不同轴径碳环密封泄漏特性的影响规律,在层流动力润滑研究的基础上,建立湍流动力润滑理论模型,选用Ng-Pan湍流系数表达式,采用有限差分法对介质流体压力控制方程进行迭代求解,分析碳环密封的泄漏特性。研究表明：在湍流状态下碳环密封的动压效应更加凸显,但在湍流状态下其密封性能劣于层流状态;随着转速增加,2种流态的流场最高压力值均呈非线性发散式增大,而泄漏率整体增加但增幅缓慢;随进口压力增加,2种流态下流场最高压力呈线性收敛式增大,而泄漏率均近似呈相对平行的线性趋势增加;随偏心率增大,流场最大压力均呈现指数式增加,而泄漏率均呈非线性方式增加;在大轴径条件下,考虑湍流效应才更加贴近实际流动状态。     

干气密封系统轴向非线性动力稳定性

建立了轴向振动下气膜-密封环系统流固耦合动力学模型,应用微扰法和龙格-库塔法求解振动方程,分析失稳点振动非线性动力学行为。结果表明,在静态优化出的螺旋角范围(70～80°)内,存在着失稳点域,并在特定的螺旋槽结构参数范围内产生了混沌运动,通过选择合理的螺旋槽结构参数可以控制混沌。改变工况,虽其振幅发生了变化,但失稳点的螺旋角数值不变。得到控制系统稳定运行的结构参数区域,计算结果为干气密封的动态优化设计提供指导。     

干气密封气膜-密封环系统角向摆动的失稳分析

建立了角向振动下气膜-密封环系统的动力学模型,应用微扰法和龙格-库塔法求解气膜角向刚度、临界转动惯量和角向摆动的二维振动方程,获得了密封系统失稳时的密封结构参数,分析了临界转动惯量与螺旋角之间的定量关系及失稳点振动的非线性动力学行为,并对模拟结果进行了试验验证.研究结果表明:在静态优化出的螺旋角范围(60°～80°)内,存在着失稳点域,特例中发现有16处,并且在变工况(不同的介质压力、转速)下,虽其振幅发生了变化,但其失稳点的螺旋角数值不变,这与试验结果相吻合.     

摩擦副界面微造型序列对气体密封性能的影响

摩擦副表-界面的微型结构具有减少摩损、提高润滑性能等作用。在动、静环摩擦端面开设微槽与微孔的复合微造型跨尺度润滑气膜计算域模型，利用独有block映射技术的ICEM软件进行结构化网格划分，并对流场进行数值模拟。以密封的工况条件为出发点，结合微造型结构尺寸，从气膜开启力、泄漏量、润滑气膜摩擦系数及壁面剪切力四个方面展开讨论，结果表明：在介质压力和转速相同时，微孔的覆盖比对气体密封性能影响较大，增幅为5%～8%，并且当覆盖比为50%时气体密封的性能可达到最佳。之后以此为基准改变该模型微孔的密度、深度、直径，通过研究四种参数的变化规律发现微孔的密度和直径对密封性能提升较大，增幅为7%～8%，并且微孔密度为12.5%，深度为10 μm，直径为400 μm时气体密封性能可达到最佳水平。     

基于湍流模型的S-CO2干气密封流场与稳态性能分析

为探究湍流效应对S-CO₂干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO₂真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明：湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下的开启力和泄漏率均比层流下的低,且在两种流态下的这种差异随着进口压力、进口温度、平均膜厚的增大而逐渐增大;在不同转速下,开启力和泄漏率在湍流下分别表现出与层流不同的变化趋势。这些结果为进一步研究湍流效应对S-CO₂干气密封的影响提供了支撑。     

联轴器圆环式膜片的疲劳寿命计算

用ANSYS有限元程序对联轴器圆环式膜片进行了应力分析,进而应用局部应力-应变法计算了圆环式膜片的疲劳寿命,并对膜片寿命的影响因素进行了分析讨论。     

接触式机械密封摩擦界面温度分布分形模型

为揭示接触式机械密封摩擦界面的温度分布规律,用分形参数表征机械密封端面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,结合热传导和概率理论建立了机械密封摩擦界面最大温度以及温度分布的分形模型并用数值方法对其最大温度、温度分布规律以及影响因素进行了分析.研究结果表明,当分形维数一定时,随着转速的增大,密封界面最大温度呈线性增大;当转速一定时,随着分形维数的增大,密封界面最大温度呈非线性减小;随着量纲1特征尺度的增大,量纲1最大接触温度也在增大.当已知润滑膜汽化温度时,由温度分布密度函数,可以求出处于非正常润滑部分的真实接触面积,为进一步研究磨损、热破坏提供基础,这对接触式机械密封的实际运行和密封端面的设计具有重要的意义.     

螺旋槽干气密封微尺度气膜的温度场计算

螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而使运行不稳定和泄漏量增大。首先在速度滑移边界条件下,求出气膜压力和气膜速度;然后推导出气膜的能量微分方程,同时引入温度阶跃边界条件,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过Matlab软件数值计算得到气膜的温度分布。结果表明,随着气体从外径流入内径,气膜速度的分布规律是先降低后升高,槽根部周围速度较低;随着气体从外径流入内径,气膜温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;考虑温度阶跃下的温度分布与不考虑温度阶跃下的温度分布相差较小,可以不予考虑温度阶跃对干气密封气膜温度的影响。     

热耗散变形下螺旋槽干气密封微尺度气膜流动特性研究

螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而对密封性能产生影响。首先在速度滑移边界条件下,求出螺旋槽内的气膜压力和气膜速度,然后推导出气膜的无热耗散能量方程及有热耗散能量方程,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过 Maple 和 Matlab 软件求解槽内气膜的温度分布。然后由热弹变形理论,求解出密封环的变形量,获得螺旋槽内气膜厚度的解析式。最后利用广义雷诺方程求出理论泄漏量,并与泄漏量的实验值进行比较。研究结果表明:随着气体从外径流入内径,槽内温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;热弹变形量与温度变化的规律一致,而气膜厚度的变化趋势与之相反;干气密封中的泄漏量随变形量增大而增大,考虑热耗散有变形的泄漏量更接近于实验值。     

机械密封影响因素分析及展望

机械密封作为一种被广泛应用的密封方式,已成为流体密封技术重要的动密封形式。随着密封行业标准要求不断提高以及工业整体的发展,机械密封设计与制造技术是当前流体传动与控制领域发展的重点对象之一,且对于机械密封的发展也提出了更高的要求。对机械密封的影响因素、常见问题进行梳理总结。从解决机械密封问题角度,对机械密封未来发展方向进行简要介绍,以促进机械密封技术发展。总结与展望机械密封发展趋势,对于极端工况条件下的密封性能、常规工况下使用寿命、稳定性等提出了更高的要求;在机械密封可控层面上,机械密封智能化与密封组合会成为未来机械密封的研究重点。