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。     

STRENGTH DESIGN OF PREMIUM THREADED CASING CONNECTION

Using premium casing connections instead of API ones is one of the most effective technique to prevent casing failure. The factors contribute to the strength of premium casing connections are studied with FEA and full-scale test. The criterions are presented that ensure the connection's strength higher than the pipe. At the same time, the method is given to decrease the peak stress of the connection so as to improve its anticorruption property. At last, full-scale tests are done to test the strength of the connections designed with the method described, the results show that the connection's strength is higher than the pipe. This indicated that the method described is effective in designing premium casing connection.     

高温热油泵机械密封的热特性数值分析

针对高温热油泵机械密封的失效问题,研究其在不同工况和结构参数下的热特性。通过ANSYS建立由机械密封动环、静环和静环座组成的三维热-结构耦合模型,并使用MATLAB计算端面热流密度插值函数;采用UDF函数对插值函数进行加载,求出每一个单元的热流密度,进而分析高温热油泵机械密封在不同转速、材料和相关结构参数下的传热特性和端面温升。分析结果表明：高温热油泵机械密封运转过程中,接触端面处温度最高;端面热量主要是通过动环传导出去,改变O形圈的支撑位置可以优化端面温升;随着端面宽度的增加及载荷系数的增大,端面温升均增大;机械密封在稳态运转的情况下,端面不会发生相变。     

A Mixed Friction Hydrostatic Mechanical Face Seal Model with Thermal Rotation and Wear

A mixed friction model is presented for the mechanical face seal. The model considers load sharing between mechanical and fluid hydrostatic pressures and the friction that results. Thermal rotation resulting from friction heating is included. Equilibrium solutions are presented which show a strong influence of thermal rotation on initial seal performance. A wear model shows that seal faces wear parallel after a period of steady operation in spite of initial taper. The model can be used to simulate seal performance over a period of time and under variable operating conditions.     

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。结果表明:在研究的参数范围内密封环存在明显的热变形与力变形,会造成间隙形状的明显变化,从而强烈影响密封的泄漏等性能;工况参数和几何参数变化同时影响流场、传热和变形特征,通过各物理场的耦合作用影响密封的性能。建立的该多物理场耦合模型可用于氦气及其他气体介质干气密封的性能预测和辅助结构设计。     

基于流固热耦合的浮环密封力学特性数值研究

考虑温度的影响,建立浮环密封力学特性流固热耦合数值求解模型,在验证计算方法准确性的基础上,研究浮环密封的流场特性,以及石墨烯、石墨、铝合金以及碳化硅4种材料的浮环密封在不同进口压力、温度时的力学特性。结果表明：浮环密封在偏心时,由于楔形间隙的存在,气流经过这种结构产生流体动压效应,在较薄的流体域一侧形成局部高压区,较厚的一侧压力无明显变化,而温度沿轴向方向逐级升高,且偏心率越大,偏心位置的温度越大;浮环密封流体域温度随着进口压力的升高而降低,因温度影响材料的属性,使得不同材料的浮环密封结构对温度会很敏感;不同材料浮环密封的变形量随进口压力的增加而减小,应变也随着进口压力的增加而减小;4种材料浮环密封的变形量与应力均随着进口温度的增加而增大。     

斯特林机活塞杆帽式组合密封动密封性能分析

为研究斯特林发动机活塞杆无油润滑帽式组合密封的动密封性能,利用有限元分析软件Abaqus建立帽式密封的二维轴对称有限元模型,基于系统实际工况,研究工质压力对帽式密封性能的影响,得到不同压力下的有效密封区域。静态密封性能分析结果表明,帽式密封环与活塞杆的接触应力是密封的关键,动态密封性能分析结果表明,两者接触应力和密封区域随压力增大而增大,且外行程接触应力略大于内行程。通过热力耦合动态仿真模拟,分析环境温度、摩擦因数、往复运动速度对动密封性能的影响。结果表明:环境温度对帽式密封温度场影响不大,热源主要来自摩擦热;往复运动速度对其密封性能影响也不大,而摩擦因数的影响较大,摩擦因数越小,帽式密封的密封效果越好,使用寿命越长。     

喷油润滑型激光脸机械密封试验研究

针对航空发动机附件机匣传动轴端机械密封易提早失效的问题,提出在其端面开设激光脸槽型的改进方法,采用试验手段研究在喷油润滑条件下,激光脸机械密封的摩擦磨损特性、热特性及泄漏情况。自主设计可模拟喷油润滑工况的机械密封试验工装,定制可进行润滑油加热的集成型液压站作为辅助系统,分别进行变工况运转试验和长时稳态工况试验。结果表明：在变工况以及稳态工况运转条件下运转后动、静环端面均无明显磨损;在介质温度较为稳定的情况下,动环和轴套温度均能保持稳定;在整个试验过程中,机械密封均无泄漏发生,表明激光脸机械密封在喷油润滑工况下具备良好的热特性和密封效果。     

基于ISO 13679 B系试验载荷的特殊螺纹接头密封性能研究

为评估特殊螺纹接头的密封性能,充分考虑螺纹升角对特殊螺纹接头性能的影响,借助ABAQUS有限元软件建立某特殊螺纹接头的三维有限元模型,仿真分析ISO 13679标准B系载荷包络线加载路径下,该特殊螺纹接头密封面上的Von Mises应力及接触压力分布。结果表明:弯曲载荷对接头应力分布及接触压力分布状态影响较大;特殊螺纹接头密封面上的Von Mises应力及接触压力分布趋势一致,均为在受拉一侧Von Mises应力及接触压力数值较小,受压一侧Von Mises应力及接触压力数值较大;接头受拉一侧密封面上的接触压力随着轴向压缩载荷的增大而减小,特殊螺纹接头可能会发生密封失效。     

温度对机械密封金属波纹管力学性能的影响

为了研究温度对机械密封金属波纹管力学性能的影响,建立高温泵用机械密封焊接金属波纹管计算模型,利用ANSYS软件计算波片的温度场,并通过间接耦合法计算不同介质温度下的热应力与热应变场,得到温度对波纹管力学性能的影响规律.计算结果表明:在高温工况下波纹管波片内产生了较大的热应力和热应变,增大了波纹管断裂、失弹等形式的失效的危险,在设计和使用过程中必须对此引起足够重视;在高温工况下波纹管波片等效热应力、热应变的最大值均出现在波片波谷处.     

Numerical analysis of rolling-sliding contact with the frictional heat in rail

Thermal damage caused by frictional heat of rolling-sliding contact is one of the most important failure forms of wheel and rail. Many studies of wheel-rail frictional heating have been devoted to the temperature field, but few literatures focus on wheel-rail thermal stress caused by frictional heating. However, the wheel-rail creepage is one of important influencing factors of the thermal stress In this paper, a thermo-mechanical coupling model of wheel-rail rolling-sliding contact is developed using thermo-elasto-plastic finite element method. The effect of the wheel-rail elastic creepage on the distribution of heat flux is investigated using the numerical model in which the temperature-dependent material properties are taken into consideration. The moving wheel-rail contact force and the frictional heating are used to simulate the wheel rolling on the rail. The effect of the creepage on the temperature rise, thermal strain, residual stress and residual strain under wheel-rail sliding-rolling contact are investigated. The investigation results show that the thermally affected zone exists mainly in a very thin layer of material near the rail contact surface during the rolling-sliding contact. Both the temperature and thermal strain of rail increase with increasing creepage. The residual stresses induced by the frictional heat in the surface layer of rail appear to be tensile. When the creepage is large, the frictional heat has a significant influence on the residual stresses and residual strains of rail. This paper develops a thermo-meehanical coupling model of wheel-rail rolling-sliding contact, and the obtained results can help to understand the mechanism of wheel/rail frictional thermal fatigue.     

超高速涡轮泵机械密封热弹流润滑特性研究

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明：超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。     

考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合性能分析*

转子的高速转动会造成指尖密封的渐进磨损,进而会对指尖密封的泄漏性能产生影响。考虑渐进磨损效应对指尖密封的影响,建立指尖密封流-固耦合动态性能分析有限元模型,研究指尖密封泄漏性能随服役时间增长的变化规律。结果表明:随着服役时间的增长,指尖密封的接触压力、指尖靴(径向)尺寸以及指尖密封的泄漏率均呈现出非线性变化趋势,且随服役时间的增长,考虑渐进磨损效应与否的指尖密封动态性能间的差异会随之增大。通过指尖密封泄漏性能试验,验证了所构建的考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合动态性能分析模型,并根据指尖密封的泄漏性能随服役时间增长的变化规律拟合寿命评估数学模型,经外推后可实现对指尖密封寿命的预测。     

双向连通槽热流固耦合热变形研究

针对传统的螺旋槽型不能满足旋转设备反向运转的密封要求的问题,根据双向槽型机械密封结构特点,提出一种双向连通槽型,通过建立热流固耦合模型,确立传热边界条件,采用ANSYS Workbench对几何模型进行单向耦合计算,讨论密封环在转速、压力作用下热变形规律.结果表明:双向连通槽泄漏量整体比螺旋槽型泄漏量小,且双向连通槽由...     

斜线槽上游泵送机械密封流固耦合分析*

采用Pro/E软件建立斜线槽上游泵送机械密封流固耦合三维几何模型,在ANSYS Workbench中进行单向流固耦合计算,在不同工况条件下对SiC、WC、YWN8三种动环材料进行有限元对比分析,研究材料和工况参数对应力和变形的影响。结果表明:最大应力和最大变形均发生在斜线槽外径边缘,最大应力随转速的增加逐渐减小,转速对最大变形基本没有影响;压差对最大应力和最大变形影响较大,且均随压差呈线性增加的趋势;研究有3种材料中,YWN8最大变形最大,不适合做密封动环材料,而SiC的最大变形最小,且具有较强的耐磨性和耐腐蚀性,在其他条件都满足要求的前提下,推荐优先选用SiC为密封动环材料。     

石油套管特殊螺纹接头的密封设计

利用有限元技术和全尺寸试验相结合的方法,研究了石油套管特殊螺纹接头密封设计的方法。给出了设计石油套管特殊螺纹接头时,既能保证其密封性,又不至于发生粘结损坏的条件。最后利用数控机床加工出了这种接头,并进行了全尺寸评价试验,结果显示该接头的密封性能达到了设计目标,表明确定的特殊螺纹密封设计的方法是可行的。     

Three-Dimensional Flow–Heat Coupling Model of a Wavy-Tilt-Dam Mechanical Seal

A three-dimensional flow–heat coupling model of a wavy-tilt-dam (WTD) mechanical seal is established to study the heat transfer in both the fluid and the solid domains. The upwind scheme is used to ensure the convergence of the numerical calculation. The inlet temperature boundary condition is discussed and two modified inlet boundary condition methods are proposed to eliminate the noncontinuity of the film inlet temperature. The method where the temperature gradient in the radial direction is assumed constant gives more reasonable results than the method where the temperature is assumed to vary linearly along the film thickness direction. The results show that the highest temperature is located near the inlet due to the waves, which will cause a backflow along the converging spaces formed between the rotor and seal faces (convex segments of the wave) in the circumferential direction. The thermal deformation in the radial direction is larger than the deformation that is caused by waves in the circumferential direction. In addition the deformation will increase the taper, which will result in an increase in the minimum film thickness. A parametric study shows that the maximum temperature of the film will decrease as the wave number increases. The rotor speed and pressure difference will obviously affect the performance of the WTD seal.     

基于耦合传热的涡轮增压器涡轮箱有限元分析

基于涡轮增压器涡轮箱传热机理,采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了涡轮箱流体区域和固体区域网格仿真模型。在流体域建立多重旋转坐标系,精确计算出涡轮箱流场、壁面传热系数及温度。应用流固耦合的仿真方法对涡轮箱进行耦合传热分析,得到涡轮箱固体域的温度场并对其进行热应力分析。与实验结果对比发现,仿真模型的温度场符合实际涡轮箱温度分布,最大误差仅为3.3%。该涡轮箱耦合传热模型具有较高的精度,为涡轮增压器的设计优化提供了依据。     

镁合金熔炉坩埚瞬态传热与热应力分析

针对镁合金熔炉坩埚使用寿命较短,坩埚各接合处易变形开裂而失效,采用有限元分析方法,对镁合金熔炉坩埚升温过程进行了瞬态传热模拟分析,得到了其升温过程曲线和温度场分布云图,并与实验采集的数据进行对比;在此基础上进行热—结构耦合分析,计算得出了升温结束时坩埚各接合处的热应力分布情况。分析结果显示:坩埚瞬态传热分析结果与实验数据吻合良好,说明瞬态传热分析真实可靠;坩埚各接合处热应力波动较大且局部有应力集中现象。     

基于流固耦合的橡胶O形圈密封泄漏计算方法*

提出一种基于流固耦合的橡胶O形圈静密封泄漏计算方法。对平行平板泄漏模型进行改进,使其适用于通道截面高度可变的泄漏率、介质压力计算;采用有限元仿真方法进行固体力学分析,求解宏观接触压力;采用Greenwood-Willamson模型进行接触力学分析,求解泄漏通道平均高度。基于数值方法研究介质压力、环境温度、表面形貌参数对橡胶O形圈密封性能的影响规律。结果表明,随着介质压力、环境温度、表面高度分布标准差的增大,体积泄漏率逐渐增大。上述数值方法以泄漏率作为表征密封性能的参数,能综合考虑橡胶材料、介质、工况等多种因素对O形圈密封性能的影响,对橡胶O形圈的寿命预测和失效分析更具指导意义。