组合螺旋型槽干气密封密封性能的CFD仿真

设计一种由2个螺旋槽组合构成新型螺旋型槽干气密封结构,该组合螺旋型槽由沿外圈开设的大螺旋槽以及沿大螺旋槽根部开设的小螺旋槽组合而成。运用流体仿真软件Fluent对组合螺旋型槽干气密封的密封性能进行数值模拟,并与螺旋型槽干气密封进行比较。通过正交试验法对组合螺旋型槽干气密封的结构参数进行优化分析,获得了以开启力、泄漏量、扭矩为目标函数的组合螺旋型最优端面结构。结果表明,组合螺旋型槽干气密封在同等结构参数下的密封性能优于螺旋型槽干气密封,且压力、槽台宽比和槽深越大,组合螺旋型槽在减少泄漏量方面的优势更加明显;对于组合螺旋型槽干气密封,泄漏量、开启力、扭矩最优对应的端面结构参数组合不同,在干气密封设计时,应根据设计目标需要,选择合适的端面结构参数组合。     

槽底倾斜度对螺旋槽干气密封性能的影响

提出一种可以计算斜底螺旋槽干气密封性能的近似解析方法。构建槽底倾斜螺旋槽干气密封的气膜厚度表达式,基于螺旋槽的窄槽理论,近似解析求解其气膜压力控制微分方程,获得槽底倾斜螺旋槽干气密封端面气膜压力分布,进而获得端面开启力、气体泄漏率和气膜刚度等密封性能,并将结果与Fluent软件计算结果进行对比,两者的结果吻合。计算结果表明:斜底槽对密封开启力和泄漏率的影响规律取决于初始槽深;与平底槽比较,当初始槽深较小时,斜底槽的开启力较小,但泄漏率也较小;当槽深较大时,斜底槽具有较大的气膜开启力,槽底倾斜程度越大,开启力越大,但同时泄漏率也越大;一般地,斜底槽具有较大的轴向气膜刚度,槽底倾斜程度越大,气膜刚度越大,抗干扰能力越强。     

流体动静压端面密封的静动特性分析

针对高速涡轮泵螺旋槽端面密封，建立了综合考虑泄漏和传导的密封热流模型，给出了端面密封静态和动态性能计算方法。通过对水介质下密封性能的计算，研究了工作参数对螺旋槽端面密封的基本静态性能以及刚度、阻尼表征的动态性能的影响规律。结果表明：在小于5μm的正常工作间隙下，转速对开启力、刚度和阻尼影响很大，而对泄漏量的影响很小；工作间隙越小，密封具有越高的刚度、越低的泄漏量，但运行过程中的功耗较高、温升较大。     

螺旋槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响

螺旋槽底表面粗糙度受加工水平的制约,目前的控制水平一般为0.8μm。为了研究螺旋槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响,将表面粗糙度近似等价于槽深的变化,采用近似解析法,分析不同槽深、不同膜厚下,表面粗糙度对干气密封端面开启力和泄漏率的影响。同时针对所研究的工况,对粗糙度为0.4μm和0.8μm时的端面开启力和泄漏率相对误差进行对比。结果表明:随着表面粗糙度的增大,其对端面开启力、泄漏率的影响增大,同时表面粗糙度对泄漏率的影响大于对端面开启力;槽底面表面粗糙度小于0.4μm时,表面粗糙度对泄漏率影响的相对误差在7%以内,端面开启力的相对误差在3%以内。     

单双列螺旋槽干气密封端面气膜刚度比较

双列螺旋槽干气密封通常被认为具有比单列螺旋槽干气密封更高的气膜刚度,因而更有利于干气密封的稳定运行,但是尚未见具体的理论分析或实验数据来验证这一结论。针对某一双列螺旋槽干气密封,采用窄槽理论,利用Mathcad 软件计算得到端面气膜压力分布和开启力,并得到开启力与膜厚的拟合曲线,以及气膜刚度与膜厚的函数曲线,并与单列螺旋槽进行对比。计算结果证实了双列螺旋槽干气密封具有比单列螺旋槽更高的气膜刚度,尤其是在开启力较小,气膜厚度较大的情况下,其主要原因是双列螺旋槽干气密封在同一开启力下,具有较小的平衡气膜厚度,即气膜的高刚度大部分是依靠减小的气膜厚度获得。双列螺旋槽干气密封端面开启力稍小,泄漏率稍大。     

新型双螺旋槽端面密封主要结构参数对密封性能的影响

针对一种用于高速高压、超低温等极端工况下的新型双螺旋槽端面密封装置,在等密封闭合力的假设下,对动环槽形几何结构参数,如槽深、槽数、槽台宽度比及螺旋角对密封性能(密封间隙、泄漏量及液膜刚度)的影响进行了理论研究。综合考虑较小密封泄漏量和较大的液膜刚度,计算结果表明取较小的槽深(考虑实际工作过程中启停过程带来的磨损,不宜小于15μm),槽数10~15个,槽台宽比0.25~1.0,螺旋角α≤20°较适宜。     

螺旋槽干气密封数值模拟网格独立性分析

对干气密封性能进行数值模拟时,计算网格的独立性非常重要。以螺旋槽干气密封为例,研究网格层数对干气密封数值模拟结果的影响。选择相同面密度的网格,在保证其正交质量的前提下,以端面开启力和气体质量泄漏率的相对变化率作为网格独立性检验的参考量,分别通过增加螺旋槽内膜厚和非槽区膜厚网格层数,考察网格层数对螺旋槽干气密封数值模拟结果的影响。结果表明:槽深为5~9μm,非槽区膜厚为1~6μm时,非槽区膜厚网格层数对数值模拟结果的影响明显大于槽内膜厚层数;螺旋槽内膜厚网格为每微米1层,对应非槽区膜厚网格层数分别为7、8和10时,开启力和气体质量泄漏率的相对变化率均分别低于2%、1%和0.5%。     

衍生螺旋槽对超临界二氧化碳干气密封微气膜稳态特性影响*

以衍生螺旋槽为研究对象,建立衍生螺旋槽端面微气膜三维流动模型,通过软件REFPROP获取CO2在不同压力温度下的物性参数,并导入Fluent计算得到了衍生螺旋槽和经典螺旋槽的膜压分布。对比分析衍生螺旋槽和经典螺旋槽S-CO2干气密封开启力、泄漏率和气膜刚度,讨论不同入口压力和转速下湍流效应、实际气体效应以及离心惯性力对密封稳态性能的影响,揭示多种效应交互耦合对S-CO2干气密封气膜动态特性的密封机制。结果表明：衍生螺旋槽的气膜开启力、泄漏率和气膜刚度等性能参数优于经典螺旋槽,这是衍生螺旋槽两级台阶作用的结果;随着转速的增加,在湍流效应和离心惯性力的交互耦合作用下,开启力、泄漏率及气膜刚度先增大后减小,随入口压力的增大,气膜开启力、泄漏率和气膜刚度均呈近似线性增大,且压力越大衍生螺旋槽和经典螺旋槽的差异越来越明显。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

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。     

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。     

螺旋槽端面密封脱开转速的理论及试验

提出螺旋槽端面密封脱开转速的理论分析模型,并建立适合于密封端面脱开后的内外双槽结构的非接触式端面密封数学模型。理论研究一种外螺旋槽和内人字槽组合的双螺旋槽端面密封的临界脱开转速,同时讨论该类非接触端面密封开启力、流量、摩擦力矩等随转速和密封间隙的变化规律。试验得到了直径100 mm、槽深3 μm的组合螺旋槽(外螺旋槽和内人字槽组合)端面密封在水介质(27 ℃)工况下的临界脱开转速,并将其与理论结果进行对比研究。研究结果表明,当密封转速超过约9 kr/min后,密封处在非接触状态,此时的密封泄漏量仅为1.2 mL/s。试验得到的端面密封脱开转速与理论结果一致(误差小于10%),从而有效地证实了端面脱开转速可作为对密封端面接触与否的判定依据。当密封转速高于脱开转速后,密封处在非接触状态,其工作寿命较长,泄漏量较小,这对于可重复使用火箭发动机涡轮泵端面密封的研制具有重要理论和试验参考价值。     

锥度对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

提出一种考虑螺旋槽气体密封端面径向锥度的理论模型。利用有限元法求解密封端面间气膜控制方程——雷诺方程，得到了端面膜压分布。计算了密封稳态性能参数，并与有关文献值进行了比较。分析了端面锥度对密封稳态特性的影响，进一步预测了密封端面出现接触摩擦的临界锥度。结果表明，锥度改变了端面膜压分布，并显著影响开启力、气膜刚度以及泄漏率等参数；过度变形将会导致密封因端面接触或大量泄漏而失效。     

螺旋槽-波锥坝组合型非接触式机械密封性能分析

针对液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下承载性能不足的问题,提出一种新型螺旋槽-波锥坝动静压组合型机械密封结构,采用MATLAB软件利用有限差分法求解考虑质量守恒空化边界的雷诺方程,并将组合槽与螺旋槽、波锥坝的密封性能进行比较,进一步分析不同结构参数与工况参数对组合槽性能参数的影响规律。结果表明:新槽型波数与螺旋槽数重合时组合密封在径向出现2个压力峰值,相较于单一槽型结构拥有更好的承载能力与较小的摩擦扭矩;液膜力与泄漏量随波锥比或径向宽度比的增加而增大,外径压力和转速越大,组合槽的承载性能提升越显著,但外径压力的升高会造成较大的径向泄漏。组合槽结合了波锥槽的静压承载与螺旋槽的动压承载综合优势,将有效提升液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下的润滑性能。     

新型双列螺旋槽端面密封的静态性能分析

研究了一种新型双列螺旋槽机械密封结构的工作机理。从可压缩流体Reynolds方程出发,用有限元数值计算的方法得出了一定工况条件下双列螺旋槽机械密封端面间稳态下的密封间隙、液体的压力分布、开启力、供液小孔的压力损失及泄漏量等。计算结果表明,供液小孔所产生的压力损失提高了双列螺旋槽机械密封的静态轴向刚度。     

端面形貌和流体剪切稀化对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。     

Enhancing Film Stiffness of Spiral Groove Dry Gas Seal via Shape Modification at Low Speed: Numerical Results and Experiment

Abstract

The film stiffness of dry gas seal must be sufficient to keep gas film stable at high and low speed. A generalized geometric model based on triangles is proposed to characterize spiral grooves. A mathematical model is established and solved using the finite-difference method to obtain steady performance. The optimum spiral grooves for maximum opening force and film stiffness are obtained at low speed, and their steady performance is compared with conventional spiral grooves numerically and experimentally. The pressure and flow field of optimum spiral grooves and conventional spiral grooves are simulated to reveal the mechanism of the performance difference. Results show that through-combined spiral grooves outperform the other derived spiral grooves. Their film stiffness is up to 15% larger than that of conventional spiral grooves at low speed.     

Dynamic coupling correlation of gas film in dry gas seal with spiral groove

In working state, the dynamic performance of dry gas seal, generated by the rotating end face with spiral grooves, is determined by the open force of gas film and leakage flow rate. Generally, the open force and the leakage flow rate can be obtained by finite element method, computational fluid dynamics method and experimental measurement method. However, it will take much time to carry out the above measurements and calculations. In this paper, the approximate model of parallel grooves based on the narrow groove theory is used to establish the dynamic equations of the gas film for the purpose of obtaining the dynamic parameters of gas film. The nonlinear differential equations of gas film model are solved by Runge-Kutta method and shooting method. The numerical values of the pressure profiles, leakage flux and opening force on the seal surface are integrated, and then compared to experimental data for the reliability of the numerical simulation. The results show that the numerical simulation curves are in good agreement with experimental values. Furthermore, the opening force and the leakage flux are proved to be strongly correlated with the operating parameters. Then, the function-coupling method is introduced to analyze the numerical results to obtain the correlation formulae of the opening force and leakage flux respectively with the operating parameters, i.e., the inlet pressure and the rotating speed. This study intends to provide an effective way to predict the aerodynamic performance for designing and optimizing the groove styles in dry gas seal rapidly and accurately.     

新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究

提出一种密封入口周向均匀设置有涡流槽的新型密封结构,建立了传统迷宫密封与新型涡流槽密封泄漏特性及动力特性求解模型,在实验验证数值计算方法准确性的基础上,通过比较分析了传统迷宫密封与新型涡流槽密封在不同进出口压比、预旋比工况下的泄漏特性与动力特性,研究了新型涡流槽结构对密封泄漏特性及动力特性的影响机理。研究结果表明：随着涡流槽数量的增加,涡流槽密封的泄漏量逐渐降低;在同一压比下,不同涡流槽数新型密封的泄漏量之间差值随着压比的增大而增大。当压比为6时,64涡流槽的新型密封较传统迷宫密封,泄漏量下降了3.37%;在高预旋比的工况下,不同涡流槽数量密封的切向气流力均与转子涡动方向相反,起到抑制转子涡动的作用,且随着涡流槽数量的增加,切向气流力也随着增大;随着转子涡动频率的增大,三种不同涡流槽数量密封的交叉刚度先减小到负值然后增大到正值。涡流槽密封的有效阻尼均高于传统迷宫密封,新型涡流槽密封可以提高转子系统的稳定性。