基于定向微纹理效应的梯形槽干气密封性能分析

为解决传统双向旋转型干气密封较单向旋转型开启性能下降、密封效果减弱的问题,基于气体微尺度流动原理,提出一种具有定向微纹理槽底的梯形槽干气密封结构;利用数值方法对比研究不同方向微纹理及无微纹理结构的性能,证实定向微纹理设计的可行性,并确定V形为纹理最佳方向;系统分析工况参数和几何参数对V形纹理干气密封性能的影响,获得各参数的影响规律及优势区间。研究结果表明:V形纹理的开启性能最好,然后依次为无纹理、周向纹理、径向纹理、梯形纹理,且转速越大,5种结构开启性能差异越显著;高转速时泵送效应较强,具有节流抑漏效果;微纹理密度对密封性能影响微小,深度达到1～2μm即可获得优异的密封性能;小膜厚时微纹理影响显著,对应最优槽深较小。研究结果为双向旋转型梯形槽干气密封性能的提升和槽区激光加工扫描方向的选取提供新的思路理论依据。     

T形槽气膜密封槽底粗糙度有序造型的扰流效应

为研究槽底粗糙度有序造型设计对干气密封微尺度流场的影响,通过将矩形体粗糙元近似为槽深变化,同时依据流体泵入方向进行有序等值延展,建立三维几何模型,并通过Fluent软件进行模拟验证。选择T形槽干气密封(T-DGS)为目标槽型,对槽底粗糙度有序造型设计进行扰流特性分析。结果表明:粗糙度有序造型的定向调节设计对干气密封性能的影响显著,微造型结构的槽底具有较好的导流效应,在一定条件下可有效提升密封开启性能,降低密封副干磨损风险;采用槽底粗糙度有序微造型设计的T形槽干气密封,在高压、高速、小膜厚和微槽深时较无微造型T形槽干气密封具有更优异的密封性能;但当转速超过一定范围时,微造型结构的扰流效会起到主导作用,使开启力迅速降低。     

T型槽柱面气膜密封CFD数值分析

阐述了柱面气膜密封的性能特点,用Proe建立了无槽模型、T型槽模型,用专业网格划分软件Hypermesh划分网格,在Fluent中分析了操作参数对2种柱面气膜密封的影响,结果表明T型槽结构具有更好的动压效应,转速、介质粘度和压差等操作参数对柱面气膜密封性能有较大影响。     

T型槽柱面气膜密封稳态性能数值分析

阐述了柱面气膜密封的性能特点,用Pro/E建立了无槽模型、T型槽模型、T型槽倒置模型,在Workbench中抽取了3种结构的气膜模型,用专业网格划分软件Hypermesh划分网格,在相同操作压力下用Fluent软件对比分析了此三种结构密封性能,对模拟结果进行处理,得出T型槽结构具有最好的动压效应,并研究了操作参数对T型槽柱面气膜密封性能的影响,结果表明转速、压差对T型槽密封性能有较大影响。     

直线变深T型槽干气密封性能研究

为增强T型槽干气密封的气膜承载能力及其稳定性,提出一种变深T型槽干气密封端面结构。基于气体润滑理论模型,采用有限单元法求解雷诺方程,在不同操作参数下对比分析变深T型槽与等深T型槽干气密封的工作性能。结果表明:与等深结构相比,变深结构有更好的气膜承载能力和稳定性;尤其在低速低压或高速高压条件下,变深T型槽比等深T型槽具有更高气膜承载能力和稳定性。     

径向变深雁形槽干气密封开启性能研究

为进一步提高雁型槽端面干气密封在低速、低压工况下的开启性能,在等深雁型槽的基础上对槽底结构进行变深优化,提出了收敛型锥度、收敛型阶梯、发散型锥度和发散性阶梯4种槽底变深结构。基于气体混合润滑理论,考虑密封端面粗糙度效应和端面间气体滑移流效应,建立了雁型槽端面干气密封动压开启分析模型,数值分析了槽底变深结构干气密封的气膜压力分布,研究了相对变深坡度、环颈深度和密封压力对变深雁型槽端面干气密封的临界开启转速和气膜刚度的影响。结果表明:与等深槽相比,槽底变深结构可提高密封端面间气膜承载能力和稳定性;在相对变深坡度λ=3/8～4/8时,变深结构干气密封的临界开启转速nc取得最小值,且发散型变深结构略优于收敛型变深结构;相对变深坡度取最优值时,发散型结构干气密封的临界开启转速nc与等深槽相比降低了10.2%。     

双螺旋角槽干气密封的槽型优化设计

建立单螺旋角槽干气密封的数学模型,利用数值方法分别研究槽数、螺旋角、槽深、气膜厚度、槽台比以及转速对密封性能的影响规律,计算结果与文献的实验值基本吻合。通过分析对比泄漏量、流场压力分布、平均开启压力等密封性能参数,优化出性能最佳的干气密封几何结构参数。针对单螺旋角槽在螺旋槽入口处的吸力面上存在明显的低压区的问题,提出双螺旋角槽干气密封结构。计算结果表明:双螺旋角槽在密封端面之间产生平均开启压力高于单螺旋角槽;相比于单螺旋角槽,双螺旋角槽在吸力面的入口处的流动分离更加明显,在槽区产生的动压效应更加明显;双螺旋角螺旋槽的密封性能更佳,其气体泄漏量也低于单螺旋槽。     

仿树形槽干气密封稳态性能分析*

针对经典螺旋槽干气密封在反向旋转时动压效果较差,易遭受磨损、失稳等问题,提出一种新型双向旋转式仿树形槽。首先应用SolidWorks软件建立气膜三维模型,然后应用ICEM软件进行网格划分,最后在Fluent软件里对流场进行仿真模拟,将不同膜厚、槽深、转速等参数下开启力、泄漏率的计算结果与螺旋槽进行对比。结果表明：仿树形槽相较螺旋槽可产生明显的动压效应,且开启力较大,但其泄漏率较高,其中仿树形槽膜厚取2 μm,槽深取5~7 μm时,密封性能较好;膜厚和槽深对密封性能有较大的影响,干气密封开启力随膜厚增大而减小,随槽深的增大而增大;压力和转速增大2种槽型开启力都随之增大,但相比螺旋槽,仿树形槽密封性能受转速影响更小,且具有更好的开启效果。仿树形槽在实现双向旋转的同时也具有较好的密封性能,为双向旋转式干气密封槽型的设计提供一定的参考。     

狭缝节流静压干气密封稳态性能数值模拟

为进一步优化提升静压干气密封的气膜开启能力,将狭缝节流器与静压干气密封相结合,设计狭缝节流静压干气密封,采用Fluent软件探究狭缝节流器结构参数和布列方式对干气密封性能的影响。结果表明：与经典小孔节流静压干气密封相比,相同节流面积下狭缝节流静压干气密封具有更高的气膜开启力;狭缝、均压槽周径比对静压干气密封气膜开启力的影响相互独立,存在最佳的周径比使得气膜开启力最大;在径向宽度一定的前提下,均压槽的平面空间越充裕,密封间隙内的气膜高压区范围越广、压力均布效果越好;狭缝沿径向、周向的列数增加均能提升气膜开启力;与周向连续狭缝布列相比,非连续性狭缝布列会导致更高的开启力。     

螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究

由于干气密封端面间隙仅为3~5 μm,因而对端面流场气膜参数及其位移变化量的测试技术是个难点,同时也是研究干气密封系统稳定运行的关键点。基于Labview测试系统软件平台,通过编写测试程序建立干气密封端面参数测试系统,确定相应的测试技术,选用合适的传感器等硬件设备,采用必要的抗干扰措施,对影响端面密封性能的参数(泄漏量、功耗、膜压)和端面稳定性参数(膜厚及振动位移)进行测试,研究不同工况下压力和转速对端面参数的影响。试验表明：气膜压力、气膜厚度、泄漏量、功耗随着压力和转速的升高而增大;气膜和静环的位移量随着压力和转速的增加而减小;气膜的振动幅值很微小,特例中仅为0.04～0.16 μm,,说明静环追随动环性能较好;同时,气膜刚度随着压力和转速的升高而增加,反映出高压力、高转速下干气密封能够稳定运行。     

双槽阶梯槽干气密封性能研究

针对干气密封系统在高转速工况下密封性能差、泄漏量大的问题,提出一种双槽阶梯槽端面密封结构.采用CFD对比分析不同压力、转速下单螺旋槽、双槽阶梯槽、阶梯槽3种槽型的密封性能,探讨槽深、螺旋角对密封性能的影响,得出了双槽阶梯槽型优化的结构参数.结果表明:双槽阶梯槽在降低泄漏量和提高综合密封性能上要优于阶梯槽和单螺旋槽;在槽...     

螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟

应用计算流体动力学分析Fluent软件对螺旋槽干气密封润滑气膜特性进行数值模拟,得到气膜流动场的压力分布、泄漏量、气膜开启力等特性参数;模拟数据与试验数据进行比较,并分析两者存在误差的原因。结果表明,随着转速、介质压力的增大,螺旋槽干气密封气膜压力、开启力、泄漏量也增大;该模拟方法的模拟结果与实验结果基本一致,可用于螺旋槽干气密封的优化设计。     

泵入型平面螺旋槽气体止推轴承气膜特性的研究

采用CFD数值模拟方法研究气体润滑泵入型螺旋槽止推轴承内气膜的压力场和承载力等静态特性参数,分析台槽宽度比、气膜厚度和转速变化等参数对气膜承载能力的影响。数值计算结果表明,槽端密封区域的压力明显高于气膜内的其他区域,密封区的设计参数对承载力具有很大影响;随着气膜厚度的减小和转速的升高,气膜的承载能力逐渐增大,同时台槽宽度比在0.6~0.8范围内时承载力最大,最佳槽深与气膜厚度比接近于3.0,与经验设计值一致。     

泵入型平面螺旋槽气体止推轴承气膜特性研究

采用CFD数值模拟方法研究气体润滑泵入型螺旋槽止推轴承内气膜的压力场和承载力等静态特性参数,分析台槽宽度比、气膜厚度和转速变化等参数对气膜承载能力的影响。数值计算结果表明,槽端密封区域的压力明显高于气膜内的其他区域,密封区的设计参数对承载力具有很大影响;随着气膜厚度的减小和转速的升高,气膜的承载能力逐渐增大,同时台槽宽度比在0.6~0.8范围内时承载力最大,最佳槽深与气膜厚度比接近于3.0,与经验设计值一致。     

双向旋转树型槽密封端面气膜动压特性

基于气体润滑理论,建立了双向旋转树型槽干式气体端面密封的数学分析模型,对比了双向旋转树型槽与螺旋槽密封端面的压力分布,讨论了树型槽的动压开启特性,以及操作参数对密封特性参数的影响规律。结果表明,双向旋转树型槽干气密封不仅能够实现双向旋转,而且具有较好的动压效应。双向旋转树型槽干气密封的动压效应受压缩数、密封压力等操作参数及端面间气膜厚度的影响显著,压缩数增加,动压开启能力增强;密封压力增加,动压开启能力降低。     

T槽干气密封低速运转特性的理论研究

研究T槽干气密封低速运转特性。考虑滑移流的影响,利用有限差分方法求解修正的雷诺方程,探讨端面气膜压力分布,分析滑移流效应对工作膜厚、端面开启力和泄漏率的影响,以及端面关键几何参数对端面开启力和气体泄漏率的影响规律。结果表明:气膜密封在低速运转时,由于工作膜厚较小,滑移流对密封性能影响较大;T槽的几何参数和操作参数对密封性能有影响,其中几何参数对密封性能均有较大影响。     

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。     

周向收敛与人字槽组合型指尖密封结构与性能分析

针对流体动压型指尖密封结构和工作特点,建立了具有周向收敛靴和轴上人字槽组合结构特征的指尖密封(简称组合型指尖密封)结构形式,采用流固耦合数值分析方法,分析了不同结构和工况条件下组合型指尖密封的泄漏率、气膜承载力及气膜流场特征,详细讨论了密封各结构参数变化对组合型指尖密封性能的影响。结果表明:在通常工况范围内,压力流对组合型指尖密封性能的影响占主导地位;楔形气膜膜厚比、楔形气膜径向最小厚度对组合型密封泄漏率影响最大;人字槽偏离高压片的距离、槽纵向间距和槽宽对组合型指尖密封的性能影响较为明显。与现有人字槽型指尖密封和周向收敛型指尖密封的性能相比,组合型指尖密封气膜承载力明显高于人字槽型指尖密封;其泄漏率与周向收敛型指尖密封相当而气膜承载力较大,具有较好的综合性能优势。     

柱面螺旋槽干气密封流动场数值计算与试验验证

针对柱面螺旋槽干气密封中的单列螺旋槽结构特点,建立螺旋槽浮环气膜密封的数学分析模型。基于中心差分法和Newton-Raphson迭代法,进行压力控制雷诺方程和气膜厚度方程的求解,得到压力和气膜厚度分布及不同操作参数下柱面单列螺旋槽气膜的泄漏量,并分析工况参数对柱面螺旋槽稳态性能的影响。结果表明:泄漏量是随着偏心率和压力的增加而升高;当偏心率一定时,转速的增加,导致泄漏量下降;当转速一定时,压力的上升导致泄漏量的急剧上升,近乎线性分布。试验结果与理论分析结果相吻合,验证了理论模型和计算方法的正确性。     

螺旋槽干气密封静止状态密封性能研究*

螺旋槽干气密封因设备故障检修、停车等处于静止状态时,其密封性能相比旋转状态下具有明显的差异性和关联性。研究螺旋槽干气密封在静止时的密封性能。根据螺旋槽窄槽理论,得到螺旋槽干气密封静止时密封端面间气膜压力控制方程,并运用解析法求解,获得端面间气膜压力分布、开启力和泄漏率等密封性能参数。结果表明:随着边界压力或膜厚增大,静态泄漏率逐渐增大,当静态泄漏率达到JB/T11289-2012标准规定的最大静态泄漏率时,端面仍处于接触状态;静止状态下的开启力、槽根处的气膜压力和泄漏率随槽深的增加先增大,在槽深大于一定值后趋于稳定;密封端面间的开启力、泄漏率总体上随台槽宽比的增加而减小,但在台槽比为0～10范围内,开启力和泄漏率的变化不大。