端面周向波度密封中流场的数值模拟

建立端面周向波度密封密封端面间液膜流场的数值模型,采用计算流体力学软件FLUENT对密封间隙中的液膜进行三维数值模拟,得到液膜流场的压力分布,求得密封的泄漏量、开启力和刚度等密封特性参数,分析密封几何参数(如波幅、波数、密封环坝区的宽度与密封环宽度之比)对密封性能的影响.结果表明:随着液膜厚度的增加,开启力减小,泄漏量增大;密封几何参数对密封特性参数的影响存在一定的规律,如波幅越大、波数越多,密封环端面的流体动压效应越明显,而随密封环坝区的宽度与密封环宽度之比的增加,开启力、泄漏量和刚度都减小.     

圆微孔及几何参数对机械密封颗粒分布的影响

由于目前关于微小颗粒在微孔端面机械密封间隙流体中的分布规律的研究较少,所以基于连续介质模型,建立了圆形微孔端面机械密封间隙流体的固液两相流数值模型。根据计算结果,分析了密封间隙流体中颗粒的分布规律:从外径到内径,颗粒体积分数逐渐增大,而且每个微孔单元内的颗粒分布规律相似;液体在微孔内形成了涡流,颗粒在涡流中心区域大量聚集。最后,讨论了微孔几何参数对颗粒分布的影响:在不同转速下,微孔面积比、微孔深度的增大都能提高孔内区域的颗粒量。     

大圆形孔端面机械密封性能分析

考虑液膜空化的影响,采用有限单元法求解层流、等温条件下控制流体密封端面膜压的雷诺方程,分析大圆形孔端面机械密封在不同端面几何结构参数和操作条件下,端面液膜压力分布以及开启力、液膜刚度和泄漏率等密封性能参数的变化规律,对比微孔与大孔密封端面的性能,指出大圆形孔端面密封产生承载力的机制;以最大液膜刚度及开启力为优化目标,在研究范围内获得大孔的最佳孔深。结果表明:在相同研究条件下,随着孔径和孔数的增加,大圆形孔产生的流体动压效应比微孔更强;随着介质压力的增加,静压效应增强,空化效应减弱,由此导致端面开启力增大,液膜刚度下降,泄漏率增大;随着转速的增大,开启力和液膜刚度均增大,而泄漏率减小。     

螺旋排布微孔端面机械密封的性能研究

端面微孔排布方式对激光加工多孔端面机械密封性能影响显著。通过建立螺旋排布微孔端面机械密封的理论分析模型,运用有限元法和数值模拟工具,获得密封端面液膜压力分布。以液膜刚度、开启力、泄漏量和刚漏比等密封性能参数为评价指标,比较径向直排微孔机械密封和螺旋排布微孔机械密封的性能优劣,分析螺旋排布微孔几何参数(螺旋角、径向开孔比、周向开孔比等)对密封性能的影响规律。结果显示,在同等工况下,螺旋排布微孔机械密封相比径向直排微孔机械密封可以显著提高密封端面的液膜刚度、开启力和刚漏比。进一步的优化分析表明,适当的螺旋角、周向开孔比和径向开孔比可以显著提高密封性能。     

激光加工多孔端面气体密封的临界静压开启特性

研究激光加工多孔端面干式气体密封的临界静压开启特性。建立控制端面气膜压力的Reynolds方程;在静压开启条件下,分析机械密封端面从接触到非接触的临界开启密封性能,研究周向开孔比、径向开孔比、深径比、面积密度等微孔几何参数对临界开启力以及气膜刚度的影响规律。结果表明:面积密度在0.5～0.6内取值,深径比在0.004～0.006范围内取值,周向开孔比和径向开孔比均取0.7时,密封可获得最佳静压临界开启特性。     

综合考虑开启力和泄漏率的机械密封端面椭圆微孔排布评价

在机械密封端面排布不同方向角的椭圆形微孔,对开启力和泄漏率的影响规律不一致,而且在不同工况下,设计者对开启力和泄漏率的需求也不一样,所以应采用双目标评价模型客观评价微孔排布对密封性能的影响。基于Fluent多相流空化模型,建立不同微孔排布方式时的密封间隙流体的三维数值计算模型,研究不同工况下的微孔排布方式对泄漏率和开启力2个密封性能参数的影响,并分别对泄漏率和开启力进行单目标评分;采用加权平均的方法,构造泄漏率和开启力为目标的双目标评价模型,并分析得到不同权重下微孔的最佳排布方式。结果表明:微孔排布方式对泄漏量和开启力的影响规律不一致,泄漏率随着内径侧P型微孔(方向角为45°微孔)数目增加而减小,开启力则在5N5P(即外径侧排布有5个方向角为-45°的N型微孔,内径侧排布有5个P型微孔)排布时取得极大值;综合考虑不同方向角的椭圆形微孔排布对开启力和泄漏率的影响,获得最佳排布方式在5N5P和0N10P之间,较高转速和低压差时,内径侧P型孔数可以偏少,高压差或者设计者更看重泄漏率时,内径侧P型孔数应该偏多。     

多相介质泵用高压密封设计及性能分析

针对多相介质泵用机械密封运行特点,为避免介质含气量大范围波动而影响密封端面润滑膜的稳定性,开展高压双端面机械密封结构和端面槽型设计,通过变形校核证明结构设计合理。建立密封端面深槽流体润滑模型,采用数值计算方法进行求解,分析不同开槽面积比的圆弧型槽的端面泄漏量、开启力等主要密封性能随工况参数的变化规律。结果表明：高压状态下,密封端面开深槽能有效改善端面润滑状态;端面泄漏量和开启力随着开槽面积比的增大而变大,同时压力越大,端面泄漏量和开启力也越大,但转速对端面泄漏量和开启力的影响不大。对设计的密封进行台架性能试验验证,获得的密封端面泄漏量变化规律与数值计算结果趋势保持一致。     

双向菱形孔织构端面密封性能研究

基于双向双列菱形孔织构端面流体密封的理论控制模型，采用有限元分析的方法研究菱形孔结构、排布方式和工况参数对密封性能的影响规律，研究菱形孔双向泵送作用对机械密封动压润滑性能影响规律及内在运行机制。结果表明：随外压增大，内外径处的压差逐渐增强，开启力和泄漏率逐渐增大，液膜刚度是先减再增而后减小；随转速增加，开启力、液膜刚度和泄漏率均呈快速增大的变化趋势；随着基础膜厚增大，开启力、液膜刚度先快后缓慢减小，而泄漏率则迅速增加；端面加工出的双向双列菱形孔织构可将间隙内流体进行回吸，从而减少泄漏率，提高了端面间隙的润滑性能，通过排布形式各异的菱形孔及结构参数的优化设计可实现密封特性的提升。     

三角形-椭圆复合微孔织构化机械端面密封性能的数值研究

通过构建三角形-椭圆复合微孔机械端面密封的几何模型;利用数值模拟的方法计算出三角形、椭圆及三角形-椭圆复合微孔织构化密封端面流场的压力分布;系统考察结构参数织构深度h_p、织构面积率S_p、三角形、椭圆微孔偏转角度α,β;工况参数密封间隙h_0、动环旋转速度n等对密封端面性能参数的影响。结果表明:当h_p=4～5 μm,三种织构化端面的承载力F、流体膜刚度K均能获得最大值、且泄漏量Q可以控制在较低水平;当h_04 μm时,三角形-椭圆复合织构化端面的承载力F、泄漏量Q、流体膜刚度K均优于其他2种单一微孔织构化端面;当α=15°、β=10°～20°时,三角形-椭圆复合微孔织构化密封端面具有最佳的综合密封性能。     

激光加工多孔端面机械密封泄漏量的影响因素

建立了激光加工多(微)孔端面机械密封(LST-MS)的理论分析模型,采用数值积分法计算了LST-MS的泄漏量,并与文献中的近似公式计算结果进行了比较,分析了不同流体膜厚条件下密封面几何参数和工况参数等因素对泄漏量的影响规律。结果表明,泄漏量与端面和微孔几何参数及工况参数有关,采用数值积分法计算的泄漏量值略大于近似公式的计算结果,并且前者与上述参数均有关,而后者仅与密封端面几何尺寸和无量纲压差有关,与微孔几何参数和压缩数的变化无关,采用积分算式更能准确地预测LST-MS的泄漏量。     

微孔参数对激光加工多孔端面机械密封性能的影响

通过建立激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型,应用有限元方法在给定工况下研究了不同微孔截面型线的微孔深径比ε和面积密度Sp对端面开启力、液膜刚度、摩擦扭矩及泄漏量等密封性能参数的影响规律。结果表明:当微孔深径比ε小于或等于0.2时,激光开孔端面密封的开启力、液膜刚度和摩擦力矩随其的增大急剧下降,但当微孔深径比ε大于0.2时,密封性能受其的影响很小;当面积密度Sp为0.4~0.6时,密封可获得最大的开启力或液膜刚度。     

激光加工的多孔端面机械密封的性能数值分析

建立激光加工多孔端面机械密封的分析模型,采用有限差分法求解雷诺方程,得到不同操作条件和微孔结构参数 下密封端面间的流体压力分布,进而可以计算端面间的密封开启力和液膜刚度。通过分析端面结构参数对密封开启力 和液膜刚度的影响规律,可得到端面结构的优化参数。分析结果表明,微孔密封面可产生明显的动压效应。     

多锥角收敛间隙流体静压密封的数值分析

根据单锥角收敛间隙流体静压密封模型,提出多锥角收敛间隙流体静压密封的结构,建立双锥角和三锥角流体静压密封端面间液膜数值分析模型,采用Fluent流体分析软件计算得到端面间的压力和速度分布,分析工作参数如转速、压力,密封结构参数如锥角等对密封性能的影响。结果表明:双锥角或三锥角模型,当其任意一个锥角增大,泄漏量和开启力都增大;越靠近内径的锥角大小对密封性能的影响越大;转速对密封性能影响不大;增加锥角数量,可改善压力分布,提高开启力。     

影响椭圆微孔端面机械密封回吸现象的参数研究

为研究回吸现象对泄漏率的影响,基于Fluent多相流空化模型,建立椭圆微孔端面机械密封间隙液膜的三维数值计算模型,并从原理上分析影响回吸现象的因素。结果表明:回吸越强,泄漏率越低,甚至是零泄漏;回吸现象的影响参数可以分为两类:影响动压效应的参数,如转速、内外径压差、空化压力;造成低压区与密封间隙出口截面间距离改变的参数,如方向角(椭圆长轴与水平轴逆时针夹角)、椭圆形状因子(椭圆长短轴比)。探讨各因素对椭圆微孔端面机械密封回吸现象的影响。结果表明,回吸的强弱与转速、椭圆形状因子正相关,与内外径压差、空化压力负相关,与方向角的关系类似正弦曲线。     

不同形状微孔搭配对机械密封性能的影响

为探讨不同形状微孔搭配排布对机械密封性能的影响,基于Reynolds方程和JFO空化边界条件,采用有限体积法建立密封间隙流体的数值计算模型;选用圆形孔、椭圆形孔和等腰三角形孔任意搭配,得到27个模型,并计算不同压差、转速下各模型的开启力和泄漏率;对数据做归一化处理后绘制密封性能参数分布图。结果表明:模型中圆形孔数目越少,越靠近外径边界,模型的泄漏率越低,开启力越大;当压差为0时,密封性能参数呈现为区域性集中分布,此现象受动压效应和静压二者共同影响,压差越小,转速越大,越易产生。     

部分端面微孔机械密封性能的理论研究

研究了部分端面微孔机械密封的液膜开启力、液膜刚度、泄漏率和摩擦力矩等密封性能的计算方法,并研究了微孔密度Sp、微孔深径比ε、微孔区域比α等密封结构参数对密封性能的影响规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比.结果表明,微孔密度Sp≈0.2、微孔深径比ε≈0.02时,开启力、液膜刚度和泄漏率最大;摩擦力矩随Sp、ε、α的增加而降低.     

基于Fluent的螺旋槽上游泵送机械密封三维微间隙流场数值模拟

密封端面微间隙液膜特性是上游泵送机械密封性能研究的关键。采用Pro/E wildfire软件建立参数化螺旋槽上游泵送机械密封端面微间隙液膜几何模型,以清水为工作介质,使用Fluent软件,对跨尺度密封端面微间隙流场进行三维数值模拟,得到开启力及压力分布规律,并与有关测试结果进行对比分析,实验数据与模拟数值基本吻合,表明所采用的模拟方案可对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙三维流场进行较好地描述,该方法可用于密封端面微间隙流场及性能的系统研究;对端面压强分布进行分析,结果表明,在螺旋槽外槽根处存在最大静压,液膜开启力的增大主要来源于槽根产生的最大静压。     

表面波度对液体椭圆孔端面密封上游泵送特性的影响

表面波度与端面几何型槽的耦合影响使得密封性能的变化规律更为复杂。基于粗糙和波度表面假设,建立空化效应下端面椭圆孔液体上游泵送密封的理论分析模型,对上游泵送端面密封的压力分布和泄漏率进行数值求解计算,分析周向表面波度幅值、数量等几何参数和转速、密封压力等操作参数对开启力和泄漏率的影响规律。结果显示：表面波度使得密封端面产生更高的流体动压效果,并减弱上游泵送效果,容易导致密封介质的泄漏;随着波高和周向波数的增加,开启力略有增加;泄漏率随着波高的增加呈现正向增强趋势,但波数对泄漏率没有明显影响;在空化效应和表面波度的影响下,速度剪切产生的密封端面开启力可增加50%以上,并形成流体的完全上游泵送;密封压力和膜厚的增加,使得流体的上游泵送性能和密封性下降。     

热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响

针对核主泵用流体静压型机械密封在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,通过建立收敛台阶端面流体静压型机械密封的稳态传热模型,并考虑流体粘度随压力、温度的变化,建立端面流体膜压力和密封环温度的控制方程,采用有限差分法求解各控制方程,采用有限元法求解密封环热、弹变形,对密封进行流、固、热耦合分析,研究热弹变形对密封性能的影响;同时改变操作参数,研究端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等随之产生的变化规律.结果表明,端面的弹性变形大于热变形;热弹变形的综合影响使端面由外径向内径形成收敛间隙,导致开启力、泄漏率和液膜刚度增加;动环角速度越高,流体温升越大,端面热变形越明显,泄漏率越大;流体注入温度越低,温粘效应越显著;流体注入压力越高,热弹变形量越大,密封端面平衡间隙亦越大.     

激光加工多孔端面机械密封静压分析

建立了在部分密封端面上加工微孔的激光加工多孔端面机械密封理论分析模型,用有限元法求解雷诺方程,获得了不同微孔结构参数下端面的无量纲膜压分布,以获得最大端面静压为目标,提出了微孔结构参数的最优值,指出开孔区长度比最优值约为0.6,面积密度最优值大约为0.5.研究表明在部分密封端面上加工微孔可有效增大端面静压.