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。     

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。     

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。     

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。     

仿树形槽干气密封稳态性能分析*

针对经典螺旋槽干气密封在反向旋转时动压效果较差,易遭受磨损、失稳等问题,提出一种新型双向旋转式仿树形槽。首先应用SolidWorks软件建立气膜三维模型,然后应用ICEM软件进行网格划分,最后在Fluent软件里对流场进行仿真模拟,将不同膜厚、槽深、转速等参数下开启力、泄漏率的计算结果与螺旋槽进行对比。结果表明：仿树形槽相较螺旋槽可产生明显的动压效应,且开启力较大,但其泄漏率较高,其中仿树形槽膜厚取2 μm,槽深取5~7 μm时,密封性能较好;膜厚和槽深对密封性能有较大的影响,干气密封开启力随膜厚增大而减小,随槽深的增大而增大;压力和转速增大2种槽型开启力都随之增大,但相比螺旋槽,仿树形槽密封性能受转速影响更小,且具有更好的开启效果。仿树形槽在实现双向旋转的同时也具有较好的密封性能,为双向旋转式干气密封槽型的设计提供一定的参考。     

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。     

水蒸气润滑螺旋槽干气密封性能分析

水蒸气润滑干气密封是一类特殊的干气密封,端面的润滑气体为水蒸气。为了研究水蒸气润滑干气密封的性能,采用无限窄槽理论,并采用RK方程来表达水蒸气的实际气体的行为。对螺旋槽的气膜压力控制方程进行了修正,分析水蒸气润滑干气密封的开启力、气膜刚度、泄漏率、气膜摩擦力矩和热平衡气膜厚度。结果表明:低压时,泄漏率随膜厚增加先减小再增加,中高压时,泄漏率随膜厚增加而增加,实际气体行为对泄漏率的影响较大;摩擦力矩随膜厚增加而减小,实际气体行为对摩擦力矩无影响;当温度为300℃,压力为0.5 MPa时,在常见的工作膜厚范围内,剪切发热速率始终大于膨胀吸热速率,不能获得热量平衡膜厚,压力为2和5 MPa时,实际气体的热量平衡膜厚均小于理想气体,两者相差分别为0.886%和2.932%。     

柱面螺旋槽干气密封流动场数值计算与试验验证

针对柱面螺旋槽干气密封中的单列螺旋槽结构特点,建立螺旋槽浮环气膜密封的数学分析模型。基于中心差分法和Newton-Raphson迭代法,进行压力控制雷诺方程和气膜厚度方程的求解,得到压力和气膜厚度分布及不同操作参数下柱面单列螺旋槽气膜的泄漏量,并分析工况参数对柱面螺旋槽稳态性能的影响。结果表明:泄漏量是随着偏心率和压力的增加而升高;当偏心率一定时,转速的增加,导致泄漏量下降;当转速一定时,压力的上升导致泄漏量的急剧上升,近乎线性分布。试验结果与理论分析结果相吻合,验证了理论模型和计算方法的正确性。     

螺旋槽干气密封端面流场分析

采用有限元法对干气密封端面间流场进行了分析,得到了动环旋转时的气膜、槽区以及坝区流场的压力及速度分布,对计算结果与Whipple螺旋槽窄槽理论计算进行了比较.有限元分析结果表明气膜层受螺旋槽的泵入和离心惯性力的双重作用,槽区气体沿径向存在速度梯度,从而引起能量损失,使密封端面的气膜压力下降,影响气膜刚度及密封组件的泄漏量.     

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。     

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。     

超临界二氧化碳气体端面密封阻塞效应研究

为了分析超临界二氧化碳气体临界状态大幅度物性参数变化和偏离理想气体的真实气体效应对干气密封性能的影响,建立螺旋槽干气密封端面微尺度三维流动模型,分别采用Fluent软件中二氧化碳的实际气体模型和理想气体模型求解密封端面流动方程。数值模拟结果表明:考虑超临界二氧化碳实际气体效应时,端面更容易发生阻塞工况;气膜间隙和转速增大,阻塞效应增强,但温度升高,阻塞效应减弱;在阻塞工况下,密封开启力和泄漏量均随着气体温度、转速增加而降低。     

考虑滑移流条件下干式气体端面密封的有限元分析

采用Borgdorfer推导的修正雷诺方程,应用有限元法分析了滑移流效应对螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)性能的影响。结果表明,在低速和低压条件下,密封的端面开启力、气膜刚度和泄漏量均受到滑移流的显著影响,其中当密封压力为0.152~0.303 MPa时影响最显著。     

Parametric Study of Spiral Groove Gas Face Seals

A finite element analysis for the isothermal flow in spiral groove gas face seals is detailed along with a successive approximation method for the iterative solution of the nonlinear Reynolds equation. Zeroth- and first-order pressure fields are calculated for evaluation of the seal opening force and leakage and the axial stiffness and damping force coefficients, respectively. A parametric study shows the static and dynamic force behavior of a baseline SGFS operating with a large pressure ratio. The recommended geometric parameters presented ensure large static stiffness and damping force coefficients while still allowing for low seal leakage rates. A reduction in the power loss and a significant increase in the seal static stiffness coefficient are unique features of thin seal dams.     

螺旋槽干式气体端面密封性能的数值分析

建立了螺旋槽气体密封(S-DGS)端面内的等温可压缩二维流气体雷诺方程，用有限元法计算了端面压力分布，将压力分布、密封开启力和气膜刚度的计算值与有关文献值进行了比较。分析了密封端面几何参数对密封性能的影响，各几何参数的推荐值可以确保密封在低泄漏量条件下的高刚度值，并据此提出了S-DGS端面几何参数选择的一般原则，对密封结构优化没计具有一定指导意义。     

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。     

非接触动密封螺旋槽气膜刚度数值模拟与分析

利用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面五种不同气膜厚度进行三维立体模型建模,采用FLUENT前处理功能对其进行网格划分。在特定工况下,利用Fluent流场计算软件对五种端面微尺度流场模型进行数值计算,求出压力沿径向分布和气膜厚度对应的开启力,基于最小二乘法原理基础上,求出开启力与厚度的五次多项式,在对多项式关于气膜厚度求导,得出气膜刚度与气膜厚度的四次多项式。结果表明:气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小,且随着气膜厚度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳,为了使干气密封长期安全、稳定的工作,端面气膜应有足够大的刚度。     

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。