引入螺旋槽制造误差的机械密封性能分析及优化

在工程实际中液体火箭发动机涡轮泵的密封原件一般存在较大加工误差,直接影响机体的安全。基于涡轮泵高参数机械密封设计和制造的一体化考虑,分析了螺旋槽制造误差的来源,将误差分为槽底圆半径误差、槽深误差、螺旋角误差和槽台宽比误差4种。建立了含制造误差的涡轮泵螺旋槽机械密封性能分析模型,分析了制造误差对开启力、泄漏量、摩擦阻力矩和膜厚的影响,从设计参数和制造参数两方面指出了进行性能优化的方法。研究结果表明:引入槽深误差对密封性能影响最大,当转速达35 000r/min并且误差在2μm时,开启力和泄漏量分别相对于标准值增大了24.47%和36.82%,摩擦力矩和膜厚分别增大了27.8%和37.4%。可通过设计参数和制造参数对密封性能进行优化,减少误差的影响。考虑制造误差的计算模型增加了机械密封性能计算的精准性,可为机械密封设计及制造参数优化提供参考。     

端面磨损对U型槽动压机械密封性能的影响

以核主泵所用U型槽动压密封环为对象,研究了密封端面因介质中微粒所引起的磨损问题.结果表明：端面动压槽根部产生的初期磨损将造成刚度和泄漏率增加,且随着磨痕数量的增加,泄漏率呈线性增加;当磨痕贯穿密封坝而使U型槽根部与端面低压侧短路时,将会造成泄漏率的阶跃上升和刚度急剧下降.在实际使用的过程中,多个U型槽将会同时出现磨痕,当一处磨痕贯穿密封坝时,将造成大量介质泄漏,且磨痕越深,其泄漏率越大,最终导致密封失效.     

螺旋槽结构对SCO2压气机轴端干气密封性能影响的数值研究

针对450MWe超临界二氧化碳(SCO₂)压气机设计的轴端螺旋槽干气密封结构,采用数值求解三维雷诺时均Navier-Stokes(RANS)和SST湍流模型的方法研究了螺旋槽深度和角度对其性能的影响。基于与实验测量的空气介质的螺旋槽干气密封性能实验数据的对比,验证了数值方法的准确性。计算了5种螺旋槽深度和4种螺旋角下SCO₂螺旋槽干气密封的泄漏量、开启力和开漏比。结果表明:螺旋槽深度的增加会显著提升干气密封螺旋槽根部的最高压力和高压力区域,进而导致具有更高的开启力,同时增加了泄漏量。螺旋角为20°时,螺旋槽深度从3μm增加至7μm,开启力最大增加9.07%;螺旋角为25°时,泄漏量最大增加18.67%;螺旋角为15°时,螺旋槽深度是3μm的干气密封具有最大的开漏比,此时干气密封在各螺旋槽深度下具有最好的综合性能。研究工作可为SCO₂螺旋槽干气密封性能分析提供参考。     

基于CFD的螺旋槽干气密封端面开孔流场的分析

为了测量静环端面安装传感器开孔对流场气膜压力的影响因子,应用Solidworks软件建立三维螺旋槽干气密封端面气膜模型,包括在动环槽底根径相对的静环端面开孔和不开孔的2种模型建模.在特定工况下,运用Fluent软件对螺旋槽干气密封内部微间隙三维气体流场2种模型以层流模式分别进行数值模拟,得到2种模型的泄漏量,且与试验值...     

螺旋槽端面干气密封的参数研究

螺旋槽干气密封试验分析了干气密封螺旋槽几何参数对开启力、功耗、泄漏率和气膜刚度的影响,并通过理论计算对试验数据给予了验证.理论计算和试验结果的对比表明了试验数据的可靠性.整体来讲,在其他参数固定的条件下,槽深比、螺旋角对密封性能的影响较为突出,而槽数、密封坝宽度比、槽台宽比、压力比对密封性能的影响相对较弱.最后给出密封结构和试验条件下的最优几何参数取值范围(12＜Ng＜18,14°＜β＜16°,0.4＜αg＜0.6,0.3＜l＜0.5,1.6＜δ＜1.8,10＜Pr＜20).     

基于空化模型的阶梯收敛槽机械密封性能分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,提出一种由波度密封衍生变化而来的阶梯收敛槽机械密封结构,采用CFD数值模拟,考虑液膜空化效应,对其密封性能进行参数化分析.结果表明：随着槽深、槽数、槽区开口及密封压力的增加,液膜承载力和泄漏量都增大;随着转速的增加,承载力增大,泄漏量减小;随着膜厚的增加,承载力减小,泄漏量增大.在小膜厚,高转速及较低密封压力的工况条件下,更容易产生液膜空化现象,流体泄漏量降低;较小的槽深会增强流体剪切作用,空化效应增强,泄漏量降低,实现减小泄漏的目的.     

高速螺旋槽气体密封轴向微扰的有限元分析

利用一种高阶形函数的有限元方法，分析了高速运转下的螺旋槽端面密封的轴向微扰，得到了气体密封关于轴向微扰的一些动态特性参数，如密封的动态刚度和阻尼。计算了密封的一些稳态特性参数如密封开启力，静态刚度和泄漏量。分析了这些稳态和动态参数关于压缩因数和频率因数的变化关系。     

螺旋槽上游泵送机械密封有限元数值计算

研究了螺旋槽上游泵送机械密封的工作机理。分析了该密封端面间的液体运动规律并建立了用于计算机械密封端面内液体二元流动的雷诺方程，用有限元数值计算的方法得出了一定条件下螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布，开启力及上游泵送量等，计算结果表明，螺旋槽上游泵送机械密封端面液膜内的压力分布呈三维凸形曲面，该密封具有明显的流体动压效应，低压侧的流体向上游泵送到槽底直径处压力增至最大值。该密封稳定性较好，理论上能实现零泄漏。     

柱面螺旋槽干气密封微尺度流场数值模拟

针对极端工况下的流体机械动密封问题,提出了新型的柱面螺旋槽干气密封.基于柱面微间隙气膜的结构特性,首先用Solidworks建模软件和Workbench的DM模块联合建立了柱面螺旋槽微尺度气膜模型,其次用专业网格划分软件ICEM CFD独有的block映射技术划分高质量的计算域网格,最后通过CFD流场仿真软件Fluent对微间隙的三维流场进行数值模拟计算,并通过改变工况操作参数,得到相应的泄漏量和浮升力.计算结果表明:在偏心率为0.5时,随着转子的转动,气膜压力升高0.218 MPa,气膜最薄区域的槽根部为压力最大值;流速在气膜最厚区域出现最大值,整体流速与压力呈现反比例分布;对比分析无偏心结构气膜模型,发现没有压力升高现象;浮升力和泄漏量都随转速和压差的增大而增大,对比发现压差对浮升力和泄漏量的影响更大.     

螺旋槽干气密封的有限元分析

从可压缩气体雷诺方程出发,使用伽辽金法,对螺旋槽干气密封进行了有限元分析,并自行开发基于Visual C+ + 6.0平台上的干气密封有限元计算软件,最后,把软件计算结果与文献中的实验值进行比较,验证了计算结果的正确性,对进一步研究具有指导意义和实用价值.     

气体热黏效应对干气密封性能影响的数值分析

基于气体多变过程理论和气体润滑理论,通过对雷诺方程的多变指数进行修正,建立了分析螺旋槽干气密封热黏效应的数学模型.采用有限元法对黏度对于干气密封性能的影响进行数值分析.结果表明：多变指数和黏度越大、压力和温度越高,则干气密封的端面气膜承载能力越强;在高速或中、高压工况下,需考虑气体热黏效应对干气密封性能的影响;当端面平均气膜厚度大于2 μm时,气体热黏效应对干气密封性能参数与气膜厚度关系的影响可以忽略不计.
     

螺旋槽上游泵送机械密封有限元数值计算

研究了螺旋槽上游泵送机械密封的工作机理 ,分析了该密封端面间的液体运动规律并建立了用于计算机械密封端面内液体二元流动的雷诺方程。用有限元数值计算的方法得出了一定条件下螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布、开启力及上游泵送量等。计算结果表明 ,螺旋槽上游泵送机械密封端面液膜内的压力分布呈三维凸形曲面 ,该密封具有明显的流体动压效应 ,低压侧的流体向上游泵送到槽底直径处压力增至最大值。该密封稳定性较好 ,理论上能实现零泄漏     

具有周向贯通槽的螺旋槽干气密封的数值模拟

为研究具有周向贯通槽的螺旋槽干气密封的工作机理,运用Fluent软件对螺旋槽干气密封模型上加开周向贯通槽的端面流场进行了数值模拟分析,同时对比分析了运动参数对单开螺旋槽和加开周向贯通槽两者的影响。结果表明:加开周向贯通槽的螺旋槽干气密封具有更小的泄漏量,较大的开启力,端面压力周向分布均匀,对动、静环端面稳定地非接触运行起到重要的作用,保证了密封工作的稳定性。经数值模拟分析,周向贯通槽槽形几何参数最佳取值范围槽宽为2.0～3.0μm,深度为2.0～4.0μm。     

浅析端面摩擦状态对机械密封性能的影响

机械密封端面摩擦状态是决定机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素。介绍了机械密封端面分别处于干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦状态时的工作特性,分析了端面摩擦状态对机械密封性能的影响。对于普通机械密封,端面的最佳摩擦状态应该是混合摩擦状态,如密封性能要求较高,则应该是边界摩擦状态。     

锥形结构对锥孔组合型机械密封端面变形及密封性能的影响

考虑密封系统各组件间接触受力及封闭流体与端面间的力作用,提出锥/孔组合型动压机械密封,构建端面密封流/固耦合理论模型,并将相应的有限元软件与计算机语言编程相结合,通过迭代计算获得端面膜压场及其变形情况,探究端面锥度和锥面宽度比在低、高压工况下对密封性能的影响规律。结果表明：随锥度φ的增大,高压区缩小,低压区扩张,孔区内液体所形成的压力峰值越来越陡峭,使得静圆环端面上产生周期性波式变形和倾斜锥度变形,变形情况与膜压场的形状相类似;动圆环端面锥度变形比较明显,波式变形不明显,且随φ的增大,锥度变形也越来越大。无论是对于较低速、低压或是较高速、高压状态下的机械密封,当端面特征几何结构参数选取为锥度φ=0.8~1.6、锥面宽度比γ=0.8~1时,机械密封均可获得优良的综合性能。     

螺旋槽干式气体端面密封的刚度和泄漏量研究

干式气体端面密封(DGS)是一种非接触式机械密封,适用于大多数气体密封场合,了解密封特性尤其是气膜刚度和泄漏量对正确设计密封非常重要。针对螺旋槽气体端面密封结构,用有限元法计算了密封端面的气膜压力分布及密封的气膜刚度和泄漏量等特性参数,分析了密封面的槽深比、螺旋角和槽长坝长比等两两变化时对密封特性的影响。研究表明,当槽深比取2.0～2.5,螺旋角取15°,槽长、坝长比取1.5～2.0,槽台宽比取1.0,槽数取12～18时,可在确保密封泄漏量低的同时具有较大气膜刚度。     

单双列螺旋槽上游泵送机械密封效果比较

为了提高上游泵送机械密封性能,针对单列槽和双列槽,2种不同槽型的密封效果进行对比研究。基于Muijderman无限窄槽理论推导了液膜压力、开启力、刚度等理论计算公式,类比水泵结构,给出了螺旋槽泵送效应表达式,并与单列螺旋槽进行比较分析。结果表明,双列螺旋槽具有上游泵送效应,能够实现密封,单列螺旋槽压力分布更平稳,相同膜厚下,液膜刚度比单列螺旋槽上游泵送机械密封大,相同开启力下,双列螺旋槽具有更小的液膜厚度和更大的液膜刚度。     

螺旋槽干气密封润滑气膜阻尼系数的计算及分析

螺旋槽干气密封操作的稳定性和可靠性与其槽型参数息息相关,为优化槽型参数建立气膜轴向和角向阻尼系数的计算模型,利用Maple程序求解阻尼系数的近似表达武,通过动态稳定性分析,获得不同介质压力和转速下的槽型参数.分析结果表明:随着介质压力和转速的增大,气膜阻尼系数增大,得到稳定性最佳的螺旋角数值,且与实验数据基本一致,说明...     

不同滑环槽形对组合密封结构性能影响分析

针对深海装备在深海高压环境下安全稳定运行的需要,基于非线性有限元接触理论,利用有限元分析软件ABAQUS建立组合密封结构的二维轴对称有限元模型,分析了不同滑环槽形对O形圈和滑环的最大Von Mises应力与接触应力的影响.结果表明:在不同的滑环截面形状下,O形圈的最大Von Mises应力位于滑环与沟槽之间的间隙处,且当滑环截面为矩形槽时,O形圈的最大Von Mises应力值相对比较小,同时不同滑环槽形对O形圈接触应力的影响非常小.相比较于其他滑环截面形状,滑环截面为矩形槽时所受的最大Von Mises应力与接触应力主要集中在滑环的第一个槽形口处,接触压力分布比较均匀,且接触压力变化曲线呈"三角形"分布,满足密封理论要求,有利于提高组合密封结构的密封性能,在高压环境下选用滑环截面形状为矩形槽时密封效果会更好.     

两种不同槽形干气密封的性能研究

采用商业计算流体力学软件FLUENT6．2对两种不同槽形机械密封进行三维数值模拟,比较了气体端面密封的压力分布、不同膜厚下的开启力以及不同操作压力下的泄漏量。通过对比得出T型槽也能产生较好的流体动压效果,并且能双向旋转,根据不同的使用场合可以选择其适合的槽型,对工程实际具有指导意义。