空化热效应对上游泵送机械密封润滑性能的影响

机械密封端面空化现象是影响机械密封润滑性能的重要因素。采用计算流体动力学方法,基于Antoine公式,建立了考虑空化热效应的计算流体动力学模型,并与常用的仅考虑端面液膜粘温效应的模型进行对比,分析了空化热效应对密封性能的影响。结果表明:在低转速下,空化热效应的影响可以忽略,但在高转速下空化热效应使上游泵送机械密封的高压区形成能力减弱,泵送量降低,开启力降低;在高转速工作条件下分析密封失效机理时,除了考虑黏温效应之外,还要考虑空化热效应的影响;空化热效应使螺旋槽槽区局部温度比仅考虑黏温特性时稍高;考虑空化热效应时,动环端面空化发生程度最严重,由动环端面沿膜厚方向至静环槽底,空化区域越来越小,槽底空化区域最小,此规律与仅考虑黏温关系时相反。     

机械端面密封反向螺旋槽空化效应与泄漏控制机理

针对机械端面密封的反向螺旋槽结构,基于遵循质量守恒的JFO空化边界条件,采用SUPG有限元方法求解Reynolds方程,研究了反向螺旋槽的空化效应,基于此,提出了一种新型的正反向螺旋槽组合端面密封结构,分析了不同工况条件下的密封性能。结果表明:反向螺旋槽区域易发生液膜空化,周期性分布的空化区会显著影响端面流场,空化区的低压力可将内径侧流体抽吸到密封端面,实现上游泵送。新型正反向螺旋槽端面密封结构结合了反向螺旋槽产生的泄漏控制作用和正向螺旋槽产生的流体动压效应,同时具备良好的上游泵送能力和动压承载能力。     

机械端面密封反向螺旋槽空化效应与泄漏控制机理

针对机械端面密封的反向螺旋槽结构,基于遵循质量守恒的JFO空化边界条件,采用SUPG有限元方法求解Reynolds方程,研究了反向螺旋槽的空化效应,基于此,提出了一种新型的正反向螺旋槽组合端面密封结构,分析了不同工况条件下的密封性能。结果表明：反向螺旋槽区域易发生液膜空化,周期性分布的空化区会显著影响端面流场,空化区的低压力可将内径侧流体抽吸到密封端面,实现上游泵送。新型正反向螺旋槽端面密封结构结合了反向螺旋槽产生的泄漏控制作用和正向螺旋槽产生的流体动压效应,同时具备良好的上游泵送能力和动压承载能力。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明：在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

基于质量守恒的LaserFace液体润滑机械密封数值分析

针对传统Reynolds空化边界不能准确预测机械密封泄漏率的问题,采用JFO空化边界条件,建立了基于质量守恒的LaserFace液体润滑机械密封数学模型,采用流线迎风有限单元法求解润滑方程,对比分析了不同操作工况下4种不同端面型槽结构(普通端面、仅含引流槽端面、仅含回流槽端面、激光脸)的密封性能。结果表明:所建立数学模型可准确预测机械密封泄漏率,LaserFace端面在低速时易于打开,高速低压下回流槽具有明显回流泵送作用,LaserFace端面机械密封泄漏率显著低于仅含引流槽端面,摩擦系数小于普通端面,综合性能明显优于其他型槽结构。     

自泵送机械密封与螺旋槽机械密封的性能比较

运用Fluent软件对泵入式自泵送机械密封与螺旋槽流体动压型机械密封进行三维流场动力学仿真分析,比较研究了两种流体动压型机械密封在不同几何参数和操作条件下的端面开启力和泄漏率。结果表明:在相同的结构和操作条件下,螺旋槽机械密封的动压效应和泄漏率均大于自泵送机械密封的相应值,其开启力与泄漏率的比值小于自泵送机械密封的相应值的比值;端面结构参数和转速对螺旋槽机械密封的开启力和泄漏率影响显著,对自泵送机械密封影响不明显。螺旋槽机械密封比自泵送机械密封在性能上具有更高的尺寸依赖性。     

瞬态启停机械密封轴对称动力学模型与密封行为分析

启停过程顺利与否直接关系到机械密封的可靠和长寿命运行。考虑密封端面流固力耦合作用、微观空化及端面接触的影响,通过建立机械密封瞬态启停动力学模型,计算瞬态启停过程中密封浮动环的轴向位移、密封端面液膜厚度变化、端面接触力及泄漏率等密封参量,研究了机械密封启停过程中的瞬态密封行为,分析了动环轴向跳动等对机械密封性能的影响。结果表明：受轴向跳动和启停过程速度变化的影响,密封参量呈现瞬态扰动现象,且轴向跳动越大,扰动越大。该模型和计算方法对完善机械密封设计方法、评价机械密封设计合理性具有一定的参考价值。     

上游泵送机械密封的基本原理分析

上游泵送机械密封是利用低压流体实现对高压流体密封的一项新的密封技术,它的典型特征是在一密封端面开有起上游泵送作用的浅槽,利用流体动压效应使得两完整的流体膜分开,这极大地改善了密封端面的润滑状态。本文介绍了分析了该类机械密封的基本原理。     

螺旋槽液膜密封端面空化发生机理

液膜中空化的发生直接影响着密封流体动压润滑性能,基于质量守恒的JFO边界条件,建立考虑表面粗糙度的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换成规则计算域,采用有限控制体积法离散控制方程并求解,分析了膜厚、表面粗糙度、螺旋槽功用（上游泵送和下游泵送）、螺旋槽开槽位置及空化压力对液膜中空化发生的影响。结果表明：较小膜厚工况易促生空穴,而较大膜厚易削弱空穴,且随着膜厚增大,表面粗糙度的影响降低甚至被忽略;当密封为上游泵送型时,空穴区周向宽度明显大于下游泵送型,而螺旋槽位置对空化的影响与螺旋槽功用密切相关;选取较小空化压力使空穴缩减,而较大者反之,且后者对提升液膜承载有利。     

基于数值模拟的自泵送机械密封正交试验

提出了一种进液槽设置于静环、动压槽分布于动环的自泵送流体动压型机械密封;运用正交试验法设计了自泵送机械密封试验方案,并基于Fluent进行了数值模拟试验,探讨了各试验参数对端面开启力和泄漏率影响的显著性。研究结果表明:在试验参数范围内,影响端面开启力F_O的显著因素为槽数N_g、槽长坝长比g、槽台宽比d和压差p;影响泄漏量Q的显著因素为槽数N_g、槽长坝长比g、槽台宽比d、转速n和压差p;具体表现为开启力随着槽长坝长比、槽台宽比、密封端面内外压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;泄漏量随着槽长坝长比、槽台宽比、转速、密封端面内外压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多而呈下降趋势。依据正交试验分析结果,提出了初步优化的密封端面型槽结构。     

扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能分析

密封端面开启力是保证非接触式机械密封非接触运行的重要指标。为克服普通自泵送流体动静压型机械密封端面开启力随转速增大而减小这一不足，基于离心式泵或压缩机的扩压器工作原理提出了一种扩压式自泵送流体动静压型机械密封。数值模拟比较了普通自泵送和扩压式自泵送流体动静压型机械密封的密封性能，探讨了密封面结构参数和工况参数对扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能的影响规律。结果表明：扩压式自泵送流体动静压型机械密封相比同等螺旋槽参数的普通自泵送流体动静压型机械密封的密封界面开启力提升了50%以上，并随转速增大而增大；随着扩压环槽增宽，开启力和泄漏率都显著增大；减小扩压环槽深度，能有效提高开启力；扩压环槽结构尺寸的变化基本不影响槽扩宽比、槽数和螺旋角对密封性能的影响规律。在一定的工况参数下，通过结构参数匹配，扩压式自泵送流体动静压型机械密封可以获得较优的密封性能。     

基于质量守恒边界条件的下游泵送螺旋槽液膜密封空化分析

液膜中空化的产生会影响密封润滑性能。基于质量守恒的JFO空化边界条件,建立螺旋槽液膜密封数学模型,采用流线迎风有限元法求解Reynolds控制方程,获得端面空化分布,并通过可视化试验进行了验证。以空化临界转速和临界压力为表征,分析了螺旋槽结构参数对空化特性的影响。结果表明：螺旋槽内空化区域呈机翼截面型,且随着转速的增加而变大,随着内径压力的增加而减小,空化周向最大长度位于近槽根处;空化临界转速随着槽数、槽深的增加而增加,随着螺旋角、槽长坝长比、槽台宽比的增加而减小;空化临界压力随各结构参数的变化趋势与空化临界转速相反。通过对各结构参数的合理选择,可实现对空化的有效控制。     

密封环支撑边界条件对机械密封端面变形的影响

机械密封的密封环是通过辅助O形圈支撑在轴上或者密封腔内，不同的结构设计会改变密封环支撑边界。针对三种机械密封结构模型，利用ANSYS有限元分析软件，模拟机械密封摩擦副端面的变形，讨论了橡胶O形密封圈不同受力边界条件下机械密封端面变形的规律。研究发现当动环、静环均采用SiC时，在静态（结构分析）时，该三种不同支撑结构的摩擦副端面均形成发散间隙，端面变形受支撑边界接触应力的影响较大；热结构耦合分析发现其动环、静环端面间隙呈收敛间隙运转时，热边界条件影响更大。当动环采用石墨，静环采用SiC时，发现其端面间隙可能为收敛型也可能为发散型，这与支撑边界有关。故密封环支撑边界条件的不同会影响动环端面变形，同时动、静环材料的弹性模量对端面的变形有较大影响，从而会影响密封性能。该研究对机械密封设计有指导意义。     

端面锥形参数对锥-孔组合型机械密封性能的影响

给出新型锥-孔组合型端面密封,考虑液膜压场的变化规律与环受力变形的相互作用关系,构建机械密封3D流、固耦合数学模型,并给出相关的数值计算方法,获得了膜压分布规律及端面变形情况,分析锥面结构参数在各工况下对密封性能的影响规律。结果表明：由菱形孔所引起的动压效应可使端面产生周向和径向波状变形,而静压效应随锥度Ф和锥宽比γ的变化,在端面区域范围内所起作用也发生相应变化;对压强较低和低、中转速设备,应选取Ф=5~6或Ф=2~4的收敛锥面密封,且γ=0.8~1.0。对高压和高速设备,应选用Ф=2~3的收敛锥面密封,且γ=1.0或γ=0.2;通过改变锥面结构可有效改变机械密封的特性参数,实现密封运行中的自动调节,特别适合变工况条件。另外,由于锥面结构的变化所引起平衡系数B和膜厚h的变化,低速时可弥补动压效应较小的缺陷,获得较大开启力,也可在大h下工作,故可降低密封端面对平整度和光洁度的要求。     

接触式机械密封端面磨合过程平均膜厚预测

为研究和掌握接触式机械密封端面磨合过程平均膜厚的变化规律,采用分形参数表征磨合过程中密封端面形貌的变化,基于机械密封端面接触分形模型,通过求解端面上微空穴的体积,建立接触式机械密封端面平均膜厚预测模型。对两套B104a-70型机械密封进行磨合试验,试验密封流体为20℃清水,压力为0.5 MPa,转速为2900 r·min^-1,弹簧比压分别为0.15 MPa和0.3 MPa。研究结果表明,随着磨合过程的进行,软质环端面迅速趋于光滑,端面平均膜厚迅速减小;当进入正常磨损阶段后,两套机械密封试件的平均膜厚均稳定在0.295 μm左右。这也表明,密封端面的形貌对平均膜厚的影响较大,而弹簧比压对平均膜厚的影响较小。掌握磨合过程中端面形貌及平均膜厚的变化规律,对接触式机械密封实际运行时端面间工作特性的预测和密封端面设计具有重要意义。     

考虑密封环材料属性和表面形貌干气密封启停阶段的动态接触特性分析

干气密封启停阶段的端面接触是不可避免的,为了揭示端面发生接触时的力学特性以保证干气密封稳定运行,运用统计学接触理论和等效阻尼思想,考虑密封环材料属性,推导出适用于分析干气密封干摩擦界面法向动态接触刚度和动态接触阻尼的解析模型,并通过实验测得密封环真实表面形貌,确定了接触模型的初始参数。探究干气密封端面发生接触时动态接触刚度和接触阻尼等参数的变化规律。结果表明,动态接触刚度随接触比压、扰动振幅的增大而增大。扰动频率对动态接触刚度的作用效果远小于接触比压或振幅对接触刚度的作用效果。动态接触阻尼随接触比压的增大而增大,随扰动频率和振幅的增大而减小。通过与多种经典接触模型对比,当前的计算结果与GW模型更为接近。针对干气密封碳化硅作为动环、石墨作为静环的配对方式,在端面未发生磨损时,结合面的微扰动态特性以动态接触刚度为主,动态接触阻尼较弱。法向接触特性的变化主要考虑50%临界脱开转速之前的接触阶段。     

机械密封环端面热变形的分析与BP网络预测

分析了影响机械密封环端面变形的主要因素,说明了密封环对介质的传热系数及端面热通量的计算方法.对于高速重载机械密封,因密封环端面热通量大,其热变形显著高于力变形.当密封环模型一定时,按正交设计法给出若干端面热通量值作为输入样本,并将有限元法计算得出的端面内径和外径处的相对轴向变形Δz作为输出样本,训练3层BP人工神经网络,对该密封环端面的轴向热变形进行精确预测.正交设计法和人工神经网络方法相结合是密封环端面热通量与热变形之间高度非线性关系分析的有效方法.