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。     

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。     

螺旋槽上游泵送机械密封密封特性数值计算

建立考虑机械密封端面径向锥度的理论模型。采用有限元法求解修正的雷诺方程,得出螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布,分析不同黏度下膜厚、端面径向锥度对密封特性参数的影响规律。结果表明,螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力呈三维凸形曲面;液膜厚度越大,开启力越小,液膜刚度系数在某点取得峰值;径向锥度越大,径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小,泄漏率在某点取得最小值;综合考虑较小密封泄漏量和较小摩擦因数,径向锥度取值范围为-1.5×10-4β-0.5×10-4较适宜。     

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。     

柱面螺旋槽气膜密封结构参数设计分析

针对柱面气膜密封中的人字形螺旋槽结构,采用了几何结构适应性强的有限元法对密封气膜的压力场进行数值计算;定量地计算分析了螺旋槽结构参数对密封特性的影响,建立了螺旋槽几何结构参数变化对承载力、摩擦转矩、泄漏量等影响的规律曲线。计算结果表明:螺旋槽的存在对动压气体润滑压场分布产生较大的影响,压场呈现锯齿状分布;槽的各参数对密封稳态特性有直接的影响,从密封设计角度考虑,槽数取值在14~24之间,螺旋角在60°左右,槽宽比的选择在0.5左右为佳;槽深比、槽长比对泄漏和摩擦力矩影响互相制约,应用中需要考虑其对动态特性的影响。设计中还需结合具体的工况场合,分析比较后确定各参数。     

直升机减速器径向石墨密封的泄露特性分析

针对直升机减速器润滑油泄漏问题,选取某直升机减速器径向石墨密封环为研究对象,应用FLUENT软件对其内部流场和泄漏特性进行数值模拟,研究径向间隙、密封块豁口间隙、压比、被密封轴椭圆度及密封环分块数对径向石墨密封泄漏特性的影响。结果表明,在其他条件相同时,密封装置的泄漏量随径向间隙、椭圆度的增大而增大,且增大速度有加快的趋势;密封装置的泄漏量随豁口间隙的增大而增大,且增大速度有减慢的趋势;密封装置的泄漏量随压比的增大近似呈线性增大;密封装置的泄漏量与密封环分块数没有明显关系。     

填料密封阻塞下气体螺旋密封的数值模拟研究

针对填料密封阻塞下的气体螺旋密封泄漏问题,利用多孔介质概念对填料密封阻塞下的气体螺旋密封做了计算流体力学(CFD)数值模拟,用多孔介质概念来类比填料密封泄漏的机理,建立了相应的计算模型,并分析了该方法的可行性。数值模拟的计算结果表明,在给定的泄漏量条件下,填料密封渗透率分别随着螺旋密封的螺旋角,螺旋结构与壁面间隙及螺旋结构本身的槽深增大而减小,成反比例关系。当螺旋结构的螺旋角,螺旋结构与壁面间隙及螺旋结构本身槽深增大到一定范围时,螺旋密封的效果大大降低,这时填料密封在整个密封装置中起主要的密封作用。该研究结果为填料密封作用下的螺旋密封设计提供了一定的理论基础。     

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。     

螺旋槽对自适应迷宫密封的影响研究

为了增强浮动迷宫密封的浮起性能和适应转子径向跳动的能力,在主轴跑道的外表面增加了槽型结构,通过试验测量和CFD数值仿真研究不同压差、转速下不同开槽方式(无槽、直线槽与螺旋槽)对浮动迷宫密封泄漏特性和浮起性能的影响.结果表明:泄漏量随着压差的增大近似呈线性增长,直线槽浮动迷宫与螺旋槽浮动迷宫泄漏量数值计算值最大分别增加了...     

工况参数对螺旋槽机械密封性能的影响

为得到在不同的工况参数下对螺旋槽机械密封的密封性能的影响规律,建立理想状态下的流体计算域模型,运用计算流体力学对螺旋槽机械密封动静环间的流场进行模拟分析,通过工况参数的改变来观察各密封性能参数—端面压力、开启力、泄漏量等的变化规律。结果表明:螺旋槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;泄露量的大小随动环转速或介质压力的提高而变大,随介质粘度的增大而减小;开启力的大小与动环端面的压力具有相同的变化规律。     

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。     

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...     

上游泵送机械密封多目标多工况优化研究

为了获得具有较强适应工况变化能力的上游泵送机械密封,以微间隙内流场的CFD计算为基础,建立涉及多工况的多目标优化数学模型,综合分析相关研究成果和密封特性确定了优化变量及其取值范围、工况参数取值范围和优化目标。应用模糊集理论确定不同工况下的液膜刚度和泄漏量的权重因子,并研究人工神经网络模型对优化结果的影响。基于穷尽搜索法和遗传算法对密封进行优化设计,对比分析2种优化方法得到的优化结果,并对优化前后的密封润滑膜流场特性进行BVF诊断分析。优化研究表明:人工神经网络模型很好地拟合了液膜刚度、泄漏量随槽型参数变化的函数关系;2种优化方法都能提高密封性能,但遗传算法优化比穷尽搜索法优化能获得更好的优化结果。     

阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行CFD流体仿真分析。结果表明：工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。     

Research on Effects of Groove Shape Optimization on Cavitation and Lubricating Characteristics for Microgroove Rotary Seal

This article studies the effects of groove shape optimization on cavitation and lubricating characteristics of microgroove rotary seals (MGRS). A lubrication model considering cavitation effects for MGRS is established to obtain the variation in cavitation and lubricating characteristics with operating conditions. Furthermore, an optimization model of groove shape based on the lubrication cavitation model is developed and an optimal groove is obtained by co-designing the parameters of both groove shape structures and molded lines. The effects of optimal grooves and ordinary spiral grooves on cavitation and lubricating characteristics are compared and validation tests are carried out. Theoretical and experimental results indicate that the lubrication cavitation model based on the mass conservation boundary condition for MGRS could accurately predict the cavitation region of ordinary spiral grooves. Optimal grooves improve the pressure distribution of the groove area and restrain the generation of a cavitation region; therefore, the fluid bearing capacity and dynamic stiffness of optimal grooves are much larger than those of ordinary spiral grooves.     

螺旋槽端面密封脱开转速的理论及试验

提出螺旋槽端面密封脱开转速的理论分析模型,并建立适合于密封端面脱开后的内外双槽结构的非接触式端面密封数学模型。理论研究一种外螺旋槽和内人字槽组合的双螺旋槽端面密封的临界脱开转速,同时讨论该类非接触端面密封开启力、流量、摩擦力矩等随转速和密封间隙的变化规律。试验得到了直径100 mm、槽深3 μm的组合螺旋槽(外螺旋槽和内人字槽组合)端面密封在水介质(27 ℃)工况下的临界脱开转速,并将其与理论结果进行对比研究。研究结果表明,当密封转速超过约9 kr/min后,密封处在非接触状态,此时的密封泄漏量仅为1.2 mL/s。试验得到的端面密封脱开转速与理论结果一致(误差小于10%),从而有效地证实了端面脱开转速可作为对密封端面接触与否的判定依据。当密封转速高于脱开转速后,密封处在非接触状态,其工作寿命较长,泄漏量较小,这对于可重复使用火箭发动机涡轮泵端面密封的研制具有重要理论和试验参考价值。     

新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究

提出一种密封入口周向均匀设置有涡流槽的新型密封结构,建立了传统迷宫密封与新型涡流槽密封泄漏特性及动力特性求解模型,在实验验证数值计算方法准确性的基础上,通过比较分析了传统迷宫密封与新型涡流槽密封在不同进出口压比、预旋比工况下的泄漏特性与动力特性,研究了新型涡流槽结构对密封泄漏特性及动力特性的影响机理。研究结果表明：随着涡流槽数量的增加,涡流槽密封的泄漏量逐渐降低;在同一压比下,不同涡流槽数新型密封的泄漏量之间差值随着压比的增大而增大。当压比为6时,64涡流槽的新型密封较传统迷宫密封,泄漏量下降了3.37%;在高预旋比的工况下,不同涡流槽数量密封的切向气流力均与转子涡动方向相反,起到抑制转子涡动的作用,且随着涡流槽数量的增加,切向气流力也随着增大;随着转子涡动频率的增大,三种不同涡流槽数量密封的交叉刚度先减小到负值然后增大到正值。涡流槽密封的有效阻尼均高于传统迷宫密封,新型涡流槽密封可以提高转子系统的稳定性。     

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。     

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。