新型组合槽端面干气密封特性研究

为了进一步提升干气密封端面流体膜动压效应,提出一种新型组合槽端面干气密封,该组合槽由两个相邻的螺旋槽周向部分重叠组合而成,包括一个长螺旋槽,一个短螺旋槽,两槽的槽深及径向长度不同。建立该组合槽与传统槽端面密封的数学模型,并运用有限差分法对其密封性能进行数值分析。结果表明:新型组合槽在端面间隙约小于1.5μm区域,流体膜开启力大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大;泄漏量亦大于传统槽,但其值远小于泄漏量的设计值;在端面间隙约小于3.5μm区域,新型组合槽流体膜刚度显著大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大。鉴于组合槽在泄漏量不超标的情况下,在间隙较小时端面流体膜具有更大的刚度、开启力及刚漏比,其综合性能显著优于传统槽型密封。     

螺旋槽动压密封液膜汽化相变性能优化分析

针对螺旋槽动压密封液膜发生汽化相变后,严重影响密封运行的可靠性和稳定性的问题,基于密封端面液膜汽化相变,建立了其数值计算模型。采用了以泄漏量和开启力两个密封性能参数为优化目标,螺旋角、槽数、槽深、槽坝比和槽堰比5个密封端面结构参数为变量的五因素、五水平的正交优化试验方案;研究了密封端面液膜汽化相变下,不同密封端面结构参数对密封性能的影响规律。研究结果表明:密封结构参数对泄漏量和开启力的影响灵敏度不同,设计的正交试验方案可以有效地对密封性能进行优化,可为此类工况下的密封装置的结构优化设计和实际操作提供参考。     

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。     

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。     

基于CFD正交试验的螺旋槽干气密封性能仿真研究

基于CFD数值仿真结合单因素试验和正交试验,研究螺旋角、槽深、槽数、槽宽比和槽长坝长比对螺旋槽干气密封性能的影响。单因素试验揭示开启力和泄漏量随各参数的变化规律,并为正交试验因素水平合理选择提供依据。由正交试验得到分别以开启力、气膜刚度和刚漏比为目标函数的最优端面结构。由极差分析得到各结构参数对密封性能影响的主次顺序,槽长坝长比是影响开启力和泄漏量的最主要因素,而气膜刚度和刚漏比主要由槽深和螺旋角决定。     

基于CFD正交试验的螺旋槽干气密封性能仿真研究

基于CFD数值仿真结合单因素试验和正交试验,研究螺旋角、槽深、槽数、槽宽比和槽长坝长比对螺旋槽干气密封性能的影响。单因素试验揭示开启力和泄漏量随各参数的变化规律,并为正交试验因素水平合理选择提供依据。由正交试验得到分别以开启力、气膜刚度和刚漏比为目标函数的最优端面结构。由极差分析得到各结构参数对密封性能影响的主次顺序,槽长坝长比是影响开启力和泄漏量的最主要因素,而气膜刚度和刚漏比主要由槽深和螺旋角决定。     

螺旋槽泵出型干气密封端面气膜压力近似解析计算

大多数螺旋槽干气密封采用高压密封气体在密封环外侧的泵入式结构。近来,出现了高压气体在密封环内侧的泵出型螺旋槽干气密封,而这类密封常用来密封液体介质。采用Mu ijderman完善的螺旋槽窄槽理论,给出泵出型螺旋槽干气密封端面气膜力的一种近似解析计算方法,给出计算案例,并与泵入型结构进行对比。计算结果表明,同样条件下,泵出型干气密封的端面开启力小于泵入型。     

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。     

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。     

端面波度、锥度与槽型耦合密封特性数值分析

研究非接触端面密封中密封端面的波度、锥度与槽型耦合作用下非端面密封的密封特性。在层流、稳态的密封介质基础上,基于极坐标下二维雷诺方程,结合数值求解方法,考虑波度、锥度与槽型耦合对密封特性的影响,得到泄漏率、开启力、液膜刚度3类密封特性参数变化趋势。研究表明,当锥度一定时,随着波度增大,泄漏率增加,液膜刚度微幅增大,而开启力则受端面槽型耦合影响,其中直方槽端面和螺旋槽端面开启力呈现逐步变小的趋势,内螺旋槽端面开启力呈现先增后减变化,最后3种槽型端面的开启力趋于同一值;当波度一定时,随着锥度提升,泄漏率增加,开启力增大,液膜刚度变弱。在非接触端面密封中,合理选取波度、锥度与槽型有利于保证密封的非接触状态,提高端面密封的可靠性和工作寿命。     

单向双列螺旋槽干气密封流场数值模拟

对一种具有我国自主知识产权的单向双列螺旋槽干气密封端面流场进行了数值分析。采用商用CFD分析软件Fluent,应用RNGk-ε湍流模型、SIMPLE算法,计算了密封端面的压力分布、开启力、泄漏量,并计算了特定工况下密封的工作膜厚、工作泄漏量。结果表明该密封具有良好的动压效应和较小的泄漏量,对该类干气密封的进一步优化设计有一定的指导意义。     

不同型槽端面干气密封的性能对比研究

采用有限单元法求解了层流、等温条件下干气密封端面膜压的控制方程——雷诺方程,对比分析了普通螺旋槽(S-DGS)、带内环槽的螺旋槽(AS-DGS)和雁形螺旋槽(GS-DGS)3种典型型槽干气密封的端面气膜压力分布以及开启力、泄漏量、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数的增量比。结果表明,GS-DGS具有高的稳定性和好的密封性能,更适用于低速低压或高速高压场合。研究结果为上述3种典型螺旋槽干气密封的实际使用提供了理论依据。     

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。     

动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究

针对液体火箭发动机机械密封的二次利用问题,为避免碰磨进行了动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究.采用动压和静压联合工作的原理,设计了动静压机械密封结构,并对静环节流孔及动环动压槽进行了重点设计;基于流体力学方程求解了静环的开启力及泄漏量,通过课题组已有机械密封计算软件计算了动环的开启力及泄漏量等指标;针对外螺旋槽内人字槽的组合槽型,采用正交试验的方法对槽型进行了优化,选定了最优槽型方案,该槽型优化方案的开启力为8.2 kN,泄漏量为0.66 mL/s,在保证泄漏量的前提下可以获得更大的开启力.研究结果表明,采用动静压形式的机械密封在工作中可有效减少磨损,保证泄漏量较小,满足二次利用的要求.该研究成果也可为其他高速旋转机械的机械密封结构优化提供参考.     

超临界二氧化碳微尺度干气密封性能分析

为研究超临界二氧化碳干气密封的密封性能,在考虑实际气体效应、惯性效应和湍流效应的情况下,利用Solidworks软件建立一个周期的螺旋槽计算域几何模型,导入ICEM软件进行结构化网格划分,采用REFPROP软件获取超临界二氧化碳物性相态数据,并将这些物性参数编译成CFD的计算程序对超临界二氧化碳干气密封流场进行数值模拟。研究结果表明:在干气密封中超临界二氧化碳的密度和黏度从外径到内径先升高后降低,在槽根部最大,而温度沿外半径到内半径的方向逐级递减;随着螺旋槽深度的增加开启力先增大后减小,而泄漏量随着槽深单调增加,其中槽深对开启力的影响较小,对泄漏量的影响较大;转速的增大使气膜开启力和泄漏量均单调增加,而气膜间隙的增加使气膜开启力减小,泄漏量增加。综合考虑密封稳定性,当气膜厚度为3.05μm、槽深为5.05μm时,研究的超临界二氧化碳干气密封的整体密封性能达到最佳。     

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...     

氢气实际气体对螺旋槽干气密封性能的影响

干气密封常应用于较高的气体压力。在干气密封的研究、设计和应用过程中,一般将气体处理为理想气体。但高压作用下,气体行为明显不同于理想气体。以螺旋槽干气密封应用于氢气为例,采用氢气的实际气体方程对螺旋槽窄槽理论的气膜压力控制方程进行修正,并加以求解,获得了实际气体行为对干气密封的影响规律。结果表明,实际气体行为对密封的泄漏率有明显影响,而对端面气膜压力和端面开启力影响不大。     

端面微造型机械密封的数值模拟与实验研究

建立沿螺旋线排列的端面微造型机械密封液膜模型,基于质量守恒方程,考虑槽区深度、槽区半径、非槽区深度、螺旋角等几何参数及压差、转速等工况参数对开启力、泄漏量的影响;并基于高速实验台,测量了端面间的摩擦扭矩,同时与模拟结果对比。结果表明:固定压差时,随着槽区深度增加,开启力和泄漏量增加,固定转速时,泄漏量增加,开启力先增加后减小;随着槽区半径或螺旋角的增加,开启力和泄漏量减小;压差和转速的增加使得端面间摩擦扭矩增加,且实验值大于模拟值。     

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。     

超临界二氧化碳干气密封稳态性能研究

以超临界二氧化碳(S-CO_2)干气密封为研究对象,建立变黏度变密度雷诺方程,通过构建物性数据库的方式对黏度及密度进行处理,并采用有限差分法对控制方程进行求解,得到端面压力分布,并计算开启力、泄漏量、摩擦扭矩和气膜刚度等稳态性能参数。结果表明:随着压力、转速的增大,开启力、泄漏量、摩擦扭矩、气膜刚度等参数均增大;随着槽坝比和槽深的增加,开启力、泄漏量和气膜刚度均增大,摩擦扭矩减小;随着槽数的增加,各稳态性能参数均减小;将槽坝比控制在0.5～1的范围内,有助于提高密封稳定性。