螺旋槽干气密封端面气膜压力计算方法讨论

Gabriel所著的<螺旋槽非接触端面密封基本原理>一文中所提出的端面气膜压力的控制方程,是源于经Muijderman完善的螺旋槽窄槽理论.对该文中气膜压力的计算方法进行分析讨论,对其算例进行复算,并与发表的有限元分析结果进行对比,发现其螺旋槽区域的气膜压力控制方程存在错误.在该文中,至少一组数据是根据其错误的方程计算而得.     

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。     

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.     

螺旋槽干气密封端面摩擦力矩的简化计算

准确快速计算干气密封端面摩擦功耗有利于干气密封的设计、操作和运行监控。端面摩擦力矩与旋转角速度的乘积即为端面摩擦功耗。提出当量间隙概念,它基于间隙等体积的思想,即当量间隙构成的体积等于实际间隙构成的体积。依据当量间隙,直接利用牛顿剪切定律获得端面开槽机械密封端面摩擦力矩的计算公式,并以螺旋槽干气密封为例,与Muijderman公式、Gabriel公式和Sedy公式的计算结果进行对比分析。结果表明,该方法比Sedy的方法更接近实际,且随着工作膜厚的增加,误差明显减小。在干气密封常见工作膜厚3~5μm范围内,该方法具有足够的计算精度。     

基于二阶滑移边界的螺旋槽干气密封气膜刚度计算与分析

应用二阶非线性滑移边界条件推导出修正的广义雷诺方程,并用PH线性化方法、迭代法对非线性雷诺方程近似求解,得到气膜推力的近似解析式,继而对其进行气膜厚度的求导,得到气膜刚度的近似解析式.并利用Maple程序计算不同转速和压力下的气膜刚度数值,并与一阶线性滑移边界条件下的气膜刚度和试验数值进行对比.结果表明:随着气膜厚度的增加,二阶非线性滑移边界条件下的气膜刚度随之减小,且呈非线性关系:随着介质压力、转速的增加,气膜刚度也随之增加,且呈线性关系;二阶非线性滑移边界条件下的气膜刚度数值比一阶线性滑移边界条件下的气膜刚度数值更接近试验数值,其计算精度较高,特别是在低速、低压工况下更加明显.因此在低速低压釜用轴端干气密封中将应用二阶速度滑移条件下的流体力学理论来进行优化设计,指导工程应用.     

螺旋槽干气密封的优化设计

用有限元法对螺旋槽干气密封进行了研究，以最大刚漏比为目标对其结构进行了优化，结果表明螺旋槽的槽深、槽数、螺旋角、槽宽堰宽比、槽长坝长比对密封的性能都有较大的影响，优化结果对干气密封的进步一步研究具有较重要的指导意义。     

螺旋槽干气密封气膜特性的近似计算及试验研究

从N-S方程出发,推导螺旋槽内稳态微尺度流动场的非线性雷诺方程。应用PH线性化方法,并采用小参数迭代法进行求解,近似求得螺旋槽内气体动压分布的解析解,继而求出泄漏量以及功耗。结果表明:试验测出数值与计算结果较为吻合,表明所建立的螺旋槽干气密封端面间气体流动过程力学和数学模型是正确的,所编制的近似计算程序是可行的。     

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...     

流体动力润滑螺旋槽非接触机械密封的发展及应用

详细地分析了非接触机械密封商业产品中的一些二维及三维流体动力槽形、特别是螺旋槽形的动态性能,包括对径向对称与径向弯曲类槽形的流体动力品质;明确地提出了避免非接触机械密封系统发生“半频自激涡动”及流体膜“共振振荡”的理论概念及螺旋槽非接触干气密封应采取顺流方式以获得高刚度而增加其运行稳定性和液体湿式密封应采取逆流方式以实现密封的无泄漏的设计准则;系统地阐述了非接触机械密封在离心气体压缩机和液体泵类上应用的2类体系及其干运行非接触气体密封的检验规范。     

螺旋槽干气密封的热量平衡膜厚研究

干气密封在运转过程中,端面气膜因黏性剪切会产生一定的热量,气体从密封进口到出口因膨胀会吸收一定的热量。定量计算剪切热量和膨胀热量及研究其平衡关系, 对干气密封的设计和操作非常重要。针对空气润滑的螺旋槽干气密封,基于间隙等体积的思想,利用当量间隙来等效密封槽台区的槽区和台区间隙,以及利用考虑绝热指数的端面气膜压力控制方程,分别获得剪切热量和膨胀热量的计算式;利用最小二乘拟合法分别获得剪切热量和膨胀热量随气膜厚度变化的表达式,并求得热量平衡膜厚。分别研究转速、槽深、槽宽坝宽比和热量传递系数对热量平衡膜厚的影响规律。结果表明,热量平衡膜厚随转速、热量传递系数的增加而逐渐增加;随槽深、槽宽坝宽比的增加而逐渐减小。     

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。     

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。     

螺旋槽干气密封性能的ANSYS参数化分析

应用ANSYS参数化设计语言APDL对螺旋槽干气密封装置建立了参数化计算模型,并对模型的三维流场进行了数值分析计算,得出了气流的速度分布和压力分布云图。通过在APDL程序中改变计算模型的几何参数,计算得出了螺旋槽的槽长、槽深、槽间距、螺旋角等设计变量对螺旋槽干气密封性能的影响情况,为螺旋槽干气密封的设计提供了依据。     

螺旋槽干气密封数值模拟网格独立性分析

对干气密封性能进行数值模拟时,计算网格的独立性非常重要。以螺旋槽干气密封为例,研究网格层数对干气密封数值模拟结果的影响。选择相同面密度的网格,在保证其正交质量的前提下,以端面开启力和气体质量泄漏率的相对变化率作为网格独立性检验的参考量,分别通过增加螺旋槽内膜厚和非槽区膜厚网格层数,考察网格层数对螺旋槽干气密封数值模拟结果的影响。结果表明:槽深为5~9μm,非槽区膜厚为1~6μm时,非槽区膜厚网格层数对数值模拟结果的影响明显大于槽内膜厚层数;螺旋槽内膜厚网格为每微米1层,对应非槽区膜厚网格层数分别为7、8和10时,开启力和气体质量泄漏率的相对变化率均分别低于2%、1%和0.5%。     

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%。