基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析*

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。     

基于Abaqus的干气密封摩擦振动瞬时动态分析

为探讨干气密封环启停阶段干摩擦引起的摩擦振动对密封寿命的影响,建立双端面干气密封简化模型并进行结构网格划分,利用有限元软件Abaqus对低速下干气密封系统进行摩擦振动瞬态分析,探讨槽及槽深、静环材料及摩擦因数、不同槽形对摩擦振动的影响。结果表明:干气密封动环槽深对摩擦振动的影响不大;同一密封压力下,动环带有槽的摩擦副振动幅度要明显大于无槽情况;"硬对硬"材料的密封环配对优于"软硬"配对;相同工况下,T型槽动环的摩擦副较经典螺旋槽摩擦副表现出更好的摩擦性能。     

螺旋槽干气密封系统非线性动力学行为分析

建立了轴向振动下气膜-密封动环系统动力学模型,利用Maple程序求解了轴向振动方程,获得了螺旋槽结构参数响应的振动相轨图、Poincaré映射图和时间历程图,进而分析了螺旋槽干气密封系统非线性动力学行为。研究结果表明:在特定的螺旋槽结构参数范围内存在着振动混沌现象,通过选择合理的螺旋槽结构参数可以控制混沌,为干气密封动态优化设计提供了理论基础。     

螺旋槽干气密封压差扰动下的瞬态特性研究

干气密封的瞬态特性是密封动力学研究中的重要内容,而现有研究主要关注于密封稳态特性的研究。本文针对密封内外压差波动这一典型工况开展仿真分析,研究螺旋槽干气密封在扰动工况下的瞬态特性。计算中,将润滑方程、接触方程与动力学方程耦合求解,以轴向膜厚、角向偏摆角、泄漏率和端面接触载荷为主要指标。结果表明:密封侧压力突降相比较于突升,更易引起密封环震荡,但后者更易诱发端面接触。对于扰动引起的瞬态震荡,密封的角向行为引起震荡时间的延长与震荡幅值的减小,其与轴向行为共同决定端面接触的可能性。动静环间的极薄气膜不仅将动环的行为传递给静环,同时通过弱化轴向与角向行为的相互影响来缓解扰动所引起的密封瞬态震荡。     

外在激励对流体静压型机械密封动态稳定性的影响

机械密封动力学性能对密封系统稳定性有很大的影响,微小的振动会导致密封泄漏量增加和端面磨损加剧。根据机械动力学原理,建立了流体静压型机械密封静环轴向振动和角向摆动的动力学耦合方程,通过解耦得到两个独立的线性振动方程。在Simulink环境下,利用MATLAB软件编程模拟分析了几种典型的外在激励对密封环动态稳定性的影响,得到最佳的试验密封环结构参数值。模拟分析表明,若要密封环在角向有尽量小的摆动,就必须选取较大的转折半径,且端面锥角尽量趋向于零;若要减小轴向的振动强度,就须减小端面锥角,且尽量避免取转折半径可选范围的中间值。     

浮环轴向长度对高速轻载涡轮增压器转子系统振动特性影响研究

浮环轴承内外轴向长度结构参数会影响油膜压力分布与偏心率,产生显著分频振动而引发高速轻载涡轮增压器转子非线性振动故障。基于流体润滑理论和浮环力矩平衡方程,推导了含浮环轴承的涡轮增压器转子系统动力学方程,揭示浮环轴承轴向长度与转子系统振动响应之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器转子系统为例,分析浮环内、外轴向长度对轴承油膜压力、偏心率等动力特性的影响,构建转子系统动力学有限元模型,通过三维振动瀑布图研究不同浮环轴向长度下转子系统频域瞬态振动响应,结果表明：浮环内轴向长度从2.6增加到4.6 mm,导致浮环转速升高,最大内油膜压力减小,轴颈偏心率降低,分频幅值增加且出现分频的轴颈转速由142 kr/min降至76 kr/min,更易产生明显的非线性涡动现象;浮环外轴向长度从3.6增加到6.15 mm,使浮环转速降低,最大外油膜压力变小,浮环偏心率及轴颈相对浮环的偏心率减小,低转速下分频幅值减少且出现分频的轴颈转速由10 kr/min升至22 kr/min,可抑制转子系统过早发生非线性涡动,为浮环轴承结构参数设计与试验提供理论支撑。     

高参数上游泵送机械密封性能计算与分析研究*

以螺旋槽上游泵送机械密封为研究对象,用有限差分法离散Reynolds方程,基于轴向力平衡条件作为迭代收敛准则,采用逐次超松弛迭代(SOR)法在Mathematica软件中编程求解液膜压力分布,以及相关密封特性参数,并分析不同工况参数与结构参数对密封特性的影响。研究结果表明:泵送率随进口压力的增加呈非线性减小,随转速、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性增大;液膜摩擦因数随着转速的增加近似以线性方式增大,随进口压力、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性减小;随着螺旋角的增大泵送率先增大后减小,而液膜摩擦因数表现出与泵送率相反的趋势,说明螺旋角存在最优值;相比于结构参数对密封特性的影响,工况参数的影响较大。     

螺旋槽干气密封气膜振动测试与稳定性分析

采用高精度改进型的电涡流微型传感器和高速数据采集卡,在不同工况下,对螺旋槽干气密封气膜平衡位移和气膜振动位移进行测量；在同种工况下,对3种不同螺旋角的螺旋槽干气密封气膜振动位移进行测量,对测得的数据用基于Labview软件开发的干气密封测试系统进行频谱分析.试验结果表明:在不同工况下,气膜平衡位移随压力和转速的升高而增大,气膜振动位移随着压力和转速的升高而降低；在同种工况下,存在着气膜振动位移最小时的最佳螺旋角,本试验中最优螺旋角为74°.     

枞树型槽上游泵送机械密封稳态特性数值分析

针对电机轴承密封可靠性差的问题,提出一种适用于电机的枞树型槽上游泵送机械密封。在MATLAB环境下求解液膜稳态雷诺方程,得到枞树型槽上游泵送机械密封端面液膜压力分布,分析端面结构参数如槽深比、螺旋角、槽坝比对密封稳态特性的影响规律,并给出枞树型槽结构参数的设计优选范围。结果表明:该机械密封具有较好的动压效应;随着槽深比的增加,开启力、泵送量和液膜刚度均先增大后迅速减小,摩擦因数则缓慢增大;随着螺旋角的增大,开启力和泵送量逐渐减小,刚度先增大后减小;随着槽坝比的增大,开启力和泵送量增加,摩擦因数增大,刚度先逐渐增大而趋于稳定;槽深比和螺旋角对枞树型槽上游泵送机械密封的稳态特性影响较大,而槽坝比的影响较小;取槽深比1. 0～4. 0、螺旋角15°～25°、槽坝比1. 5～2. 5时,机械密封可获得较大开启力和液膜刚度、较小摩擦因数等较好的综合性能。     

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CO_2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。     

新型螺旋槽干气密封流固耦合分析*

传统螺旋槽在背风口处有一处明显的低压区,影响螺旋槽的密封性能。为提高传统螺旋槽的密封性能,在传统螺旋槽的基础上提出一种新型螺旋槽结构。该槽型在传统螺旋槽的背风处一侧并列了一个槽根半径不同短槽,且两槽的槽深相等,形成一个槽根较长的新型螺旋槽结构。通过建立传统螺旋槽与新型螺旋槽的几何模型,利用ANSYS仿真软件对2种槽型进行数值模拟。结果表明,新型螺旋槽的开启力、泄漏量及刚度等干气密封性能均优于传统螺旋槽。对流固耦合下的密封环进行应力、变形分析,对比2种槽型密封环在相同操作参数下的流固耦合应力、变形等的差异。计算结果表明：随着转速与入口压力的增加,2种槽型的动、静环最大应力、变形量均呈现上升趋势,且动环的最大应力、变形量始终大于静环,新型螺旋槽的最大应力、变形量始终大于传统螺旋槽。     

氦气介质干气密封热-流固耦合建模及性能分析

以氦气介质螺旋槽干气密封为研究对象,考虑密封环温度分布、变形与气体性质、膜厚、生热等因素之间的相互作用关系,将流体域和固体域方程耦合,根据密封结构特征设置力、热边界条件,建立用于干气密封性能分析的热-流固耦合计算模型.基于该模型对氦气干气密封进行热-流固耦合分析,探讨不同转速及槽深对密封性能及其他参数的影响规律.结果表...     

机械密封镶装密封环开空刀槽对密封性能的影响

以航天涡轮泵用机械密封的镶嵌静环组件为研究对象,采用有限元法对比研究了静环座开或不开空刀槽2种情况下,石墨静环在静态条件下的接触压力、端面轴向变形和等效应力的分布特征。结果表明:未开空刀槽镶装静环组件的石墨环密封端面轴向变形分布沿径向呈发散楔形状,且相对变形量差值较大,而开空刀槽后静环组件的接触压力、等效应力和端面轴向变形均得到改善。分析了空刀槽的尺寸大小、形状以及开槽位置对石墨静环受力特征的影响,确定了静态条件下合理的开槽几何特征值。结果表明:空刀槽开在静环座径向侧壁根部较合适,且当空刀槽槽宽占比约为1/2时,静环端面轴向变形达到最小,有利于减小密封泄漏率;相比于其他几种空刀槽结构形状和特征尺寸,石墨静环拥有燕尾形空刀槽且当燕尾角为45°时,其端面轴向变形量沿径向变化最小,静环的装配应力均值最小。     

电机轴承转子多频激励系统参—强联合共振

以电机轴承转子系统为研究对象,考虑转子偏心力、轴承反力和不平衡电磁力影响。应用牛顿第二定律建立电机轴承转子系统非线性振动方程。应用求非线性振动的平均法,得到系统参强联合共振的一次近似解和对应的定常解,并进行数值计算。分析电磁参数对系统参强联合共振幅频响应曲线的影响,随着电阻增加或电抗的减小,系统参强联合共振幅频响应曲线向右偏移。     

仿生集束螺旋槽干式气体密封特性的数值分析

基于耦合仿生学原理,提出一种仿生集束螺旋槽端面干气密封结构以解决普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题。基于气体润滑理论,建立仿生集束螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值模拟分析槽宽比、螺旋角、微槽数及阶梯槽深比对动压开启力增长率、轴向气膜刚度、角向气膜刚度和刚漏比等密封特性参数的影响规律,给出仿生集束螺旋槽主要结构参数的优选值范围。结果表明:在高速低压条件下,相比于普通单向螺旋槽干气密封,仿生集束螺旋槽干气密封的密封性和稳定性等密封性能都有显著改善,其动压开启力增长率、轴向气膜刚度和刚漏比的增幅均超过20%。结果证明基于飞鸟翼翅的端面型槽仿生设计可以显著改善普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下的运行稳定性,为相关工程选型与开发设计提供参考。     

螺旋式泵效环结构参数对泵送性能的影响

为研究机械密封用螺旋式泵效环的结构参数对其泵送性能的影响,利用Fluent对不同结构参数的螺旋式泵效环内部流场进行数值模拟,使用模拟得到的泵效环内部流场的压力计算出泵效环的扬程,并获取流量-扬程性能曲线,分析不同结构参数对螺旋式泵效环的流量-扬程关系的影响。结果表明:螺旋槽轴向槽宽、泵效环外径与过渡座内径之间的间隙对泵送性能影响明显,增加螺旋槽轴向槽宽,扬程先增加后减小,增加泵效环外径与过渡座内径之间的间隙,扬程明显减小;泵效环螺纹头数、螺旋槽槽深、螺旋槽螺旋长度对泵送性能也有一定的影响,增加螺纹头数,扬程先增加后减小,增加螺旋槽槽深和螺旋槽螺旋长度,扬程均增加。     

异步电动机深沟球轴承-转子系统振动特性研究

以某型异步电动机的深沟球轴承-转子系统为研究对象,在考虑了轴承非线性支承力的基础上对异步电动机转子系统的非线性振动问题展开研究。基于拉格朗日方程建立轴承-转子系统动力学模型,利用变步长龙格-库塔法对模型的微分方程组进行求解。分析了电动机转速、系统阻尼、轴承径向游隙和钢球数对转子系统非线性振动特性的影响,结果表明:在不同电动机转速和轴承径向游隙的影响下,系统动力学响应形式具有多样性,系统在拟周期运动和跳跃性倍周期分岔时的振幅较大,合理选择电动机转速和轴承径向游隙,增加系统阻尼和轴承钢球数,有利于系统运行状态的稳定性并减小有害振动。     

基于ANSYS Workbench的螺旋槽干气密封流固耦合分析

采用Solid Works软件建立螺旋槽干气密封的动环和气膜的三维模型,用ANSYS Workbench对模型进行单向流固耦合分析,得到动环密封端面的应力和应变分布情况,并研究动环转速和介质气体压力对动环密封端面应力和应变的影响。结果表明,动环密封端面应力和应变主要集中在螺旋槽区域,在螺旋槽根部出现应力和应变的最大值,体现出螺旋槽干气密封很好的动压效应;动环转速和介质气体压力对动环密封端面应力和应变均有较大影响,并且动环密封端面最大应力、最小应力及最大应变和最小应变均随着动环转速和介质气体压力的增大而增加。     

精密H型气体轴承的动态起动接触行为分析

考虑气体稀薄效应和表面粗糙度,计算精密H型气体轴承的动态气浮力和接触力,分析气体轴承起动过程中转子的轴向运动行为和最小气膜厚度,讨论气浮面的螺旋槽数量和深度对气体轴承起动行为的影响。分析结果表明:随着转子转速增加,H型气体轴承的气浮力逐渐增大,转速约为200 r/min时气浮面与转子脱离接触;随着气浮面螺旋槽数量增加,气浮力增加、接触力降低,但槽数多于10时二者的变化量较小。考虑到微型螺旋槽的加工成本与效率,气浮面螺旋槽数量的优化值为10;随着螺旋槽深度增加,气浮力先增加后减小、接触力先降低后升高,深度为1.5μm的螺旋槽产生最大气浮力和最小接触力,因此,精密H型轴承起动状态最优的螺旋槽深度为1.5μm。     

螺旋槽干气密封对流传热系数研究

采用数值模拟和经验公式对一典型螺旋槽干气密封的对流传热系数进行计算,考虑气膜轴向厚度、转速和密封腔气体入口速度3个影响因素,比较和分析计算结果。结果表明:2种方法的对流传热系数量级相同,但数值结果比经验公式结果更加详细。气膜轴向厚度和转速均对动环润湿面对流传热系数的影响较大,对静环润湿面对流传热系数的影响非常小。密封腔气体入口速度增大,静环润湿面对流传热系数增大,而动环润湿面对流传热系数减小。