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     

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。     

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。     

上游泵送机械密封两种优化槽形及性能的对比

针对单列槽和人字槽,两种不同槽形的上游泵送机械密封进行性能对比.通过多目标优化理论构建液膜开启力与泄漏量之比的协调函数,并利用Maple软件对两种不同槽形进行优化和实例求解,获得最佳槽形参数.采用Solidworks软件建立两种不同槽形的端面微间隙液膜几何模型.在特定工况下,使用Fluent软件对密封内部微间隙三维流场进行数值模拟,获得两种不同槽形的端面开启力和端面压力的分布规律,并且通过计算,得到两种不同槽形的泄漏量.结果表明,人字槽形的端面最大压力、端面开启力均大于单列槽形,人字槽形的泄漏量(0.018L/h)小于单列槽形的泄漏量(0.072L/h).从而证明,人字槽上游泵送机械密封的动压效应及密封性能均优于单列槽.     

油气两相动压密封端面结构多参数正交优化及试验研究

针对油滴均匀分布在气相中的油气两相动压密封,利用Fluent软件建立两相动压密封端面间流体模型,并采用多参数正交优化法,分析密封性能参数（工作膜厚、流体膜刚度、泄漏量及摩擦扭矩）随两相密封动压槽结构参数（螺旋角、槽深、槽宽比、槽坝比和槽数）的变化。分析结果表明：在恒定转速、压差和闭合力条件下,通过调整各结构参数均可获得最大工作膜厚;流体膜刚度随着螺旋角和槽深的增大而减小;气体泄漏率和液体泄漏率随密封槽结构参数变化规律相同,且变化规律与工作膜厚相同;得到了定工况下的最优动压槽结构参数。最后通过自主设计的气液两相动压密封实验装置进行静压试验和运转试验,验证了动压密封在油气两相介质工况下应用的可行性。     

泵出型螺旋槽机械密封端面间隙气液两相流动数值分析

针对泵出型螺旋槽气膜密封由于阻塞气压力降低,被密封液相介质进入密封间隙的情况,以密封端面间隙流体膜为研究对象,利用Fluent软件VOF模型模拟阻塞气压力恢复到正常值时端面间隙的流动状况。此时流体膜处于气液两相非稳定流动状态,研究密封端面间气液两相介质分布、压力分布及密封性能随时间的变化规律。结果表明:在假设条件下,内径处阻塞气压力恢复到正常值,流体膜能够恢复成纯气相流体膜;液相介质能增强流体动压效应,增大气相介质流动阻力,降低泵送量;气液两相掺混,改变了气液两相分布、压力分布、泵送量等密封性能,增大了流体膜恢复成纯气相的难度,且在液相介质进入螺旋槽状况下,流动过程中少量液相介质在内径处发生泄漏。     

基于CFD的微孔端面机械密封液膜动压分析

应用Pro/E软件建立微孔端面间液膜的三维立体模型,用Gambit软件对模型分别进行网格划分.在特定工况下,利用Fluent软件对不同流体黏度和转速下的微孔端面间的内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到3种流场的压力分布.结果表明:平均动压力随着介质黏度的降低而呈线性减小,说明流体黏度低时流体动压效应弱;平均动压力随转速的增加而线性增加,表明密封环的转速越高,流体动压效应越明显.     

端面倾斜对粗糙表面机械密封性能的影响

针对航空泵用机械密封实际操作条件,考虑粗糙表面弹塑性接触,基于质量守恒的JFO(Jakobsson-Floberg-Olsson)空化理论建立了倾斜粗糙端面机械密封环的液体润滑和混合润滑计算模型;采用有限单元法求解PC(Patir and Cheng)平均Reynolds方程,获得端面液膜的压力分布;对比研究了在不同的密封压力、中心膜厚和转速条件下,端面倾斜角对粗糙表面和光滑表面机械密封性能参数的影响规律.结果表明:随着倾斜角增大,端面的承载力增大,摩擦力先减小而后增大,泄漏率增大;当端面倾斜角较小时,粗糙表面机械密封性能优于光滑表面机械密封性能.     

三角形表面织构对机械密封端面动压性能的影响

为了研究三角形织构对机械密封端面动压性能的影响,建立均匀分布的等腰三角形微孔的密封端面理论模型,利用有限差分法对流体动压润滑方程进行求解,获得了密封端面无量纲压力分布,并考察了三角形微孔的面积率、方向角度以及形状角度对无量纲平均压力Pav的影响。结果表明:密封端面无量纲平均压力随着面积率增大先增大后减小;三角形方向角度为90°时平均无量纲压力取得最大值且在该位置随着形状角度的增大而增大。     

基于空化的机械密封槽腔耦合方式研究

为了研究机械密封端面槽腔耦合造型对性能的影响,以获得最佳槽腔耦合方式,建立了4个不同槽腔耦合方案和1个无开腔上游泵送密封方案的物理模型和计算模型,利用Fluent空化模型进行内流场计算和分析,并进行试验验证.研究表明:不是任意的槽腔耦合方式都能增强密封环的开启性和稳定性,对于所研究的密封结构和尺寸,相比于未加工微凹腔的上游泵送机械密封环,只有将微凹腔开设在动环坝区时才能够增强密封环的开启性和稳定性,且具有较低的摩擦力;转速越高,合理的槽腔耦合机械密封增强开启性和稳定性的优势越明显.     

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。     

上游泵送机械密封热-流固耦合建模与性能分析

上游泵送机械密封具有低泄漏、低摩擦、长寿命的优点。基于密封端面流体域流场和能量方程,固体域弹性力学和热传导方程,将多物理场进行耦合求解,建立了上游泵送机械密封热-流固耦合仿真模型。基于该耦合模型对八字槽上游泵送机械密封进行了性能分析,揭示出机械密封在高转速下的温升和变形对上游泵送能力的削弱效应。进而获得了在不同几何和工况参数条件下,上游泵送机械密封的泄漏率、温升、变形等的变化规律,可应用于上游泵送机械密封工作机理研究和设计优化。     

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.     

双列螺旋槽机械密封效果对比研究

为了在实际生产中提高双列同向螺旋槽密封效果,分析了其机械密封端面的液膜流场分布。基于计算流体力学(CFD)软件对所建立的双列同向螺旋槽机械密封端面和普通接触式机械密封端面结构的三维模型进行了数值模拟分析。针对各种工况模拟液膜在动环端面上的流场状态,计算模型的泄漏量。利用实验设备测量实际工作中液膜的压力分布与泄漏量。将普通接触式机械密封端面实验数据与其模拟结果进行对比,两者之间存在误差的主要原因是实验过程中设备的振动。模拟结果显示在0.1~0.5 MPa范围内相同转速的工况下,双列同向螺旋槽结构的密封效果约为普通接触式机械密封结构的2倍。     

泵出式圆弧槽无泄漏液体端面密封研究

研究了在泵出式液体端面密封面上用开圆弧槽的方法解决泵的密封问题.用有限单元法对圆弧槽密封面的压力分布进行了计算,并以液膜刚度比较大时的零泄漏为标准,对圆弧槽密封面进行了优化计算,得出了一系列优化结构参数.同时,按优化参数设计出泵出式圆弧槽液体端面密封,并对其进行了性能实验.结果表明,它的摩擦性能、密封效果和磨损性能均较好.     

干气密封气膜流场数值分析

基于计算流体动力学(CFD)中的动压效应基本理论,建立了T型槽干气密封气膜流场控制微分方程,采用CFD软件包Fluent工具对气膜压力场进行求解,得到了计算区域径向压力的分布,由此得出T型槽干气密封能产生较好的流体动压效应的结论,并就部分槽型几何参数对密封性能中的无量纲开启力和气膜刚度的影响进行分析,得到了部分参数的最佳值.     

考虑空化效应的螺旋槽液膜密封特性数值研究

为了研究空化效应对液膜密封性能的影响,获得最佳的工况参数,建立螺旋槽液膜密封端面三维模型,在引入JFO空化边界条件下利用ANSYS FLUENT14.0对其流场进行数值模拟,考察空化效应时工况参数对开启力、液膜刚度、泄漏量及空化区域变化的影响。结果表明:在本文的参数下,Sommerfeld条件下液膜在厚度1.6μm左右出现最大刚度,JFO条件下刚度在膜厚为1.5~2μm比较稳定,且此时刚漏比出现拐点,最佳膜厚在1.5~2μm;液膜温度在65℃时空化效应最弱;开启力、液膜刚度、泄漏量、空化区域随转速的增加而增大。     

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。     

双端面机械密封的摩擦学性能研究

研制了一台测试机械密封可以在转速、介质压力和弹簧比压等不同工况下的温升量、摩擦扭矩和泄漏量的试验装置。以聚四氟乙烯和球墨铸铁材料为密封摩擦副进行了试验研究,结果表明:随着转速和弹簧比压的增大,端面温度上升速率增大;端面摩擦因数随转速和弹簧比压的增大而增大,当转速达到2 000 r/min时,摩擦因数趋于平缓;泄漏量随转速和介质压力的增加而增大,但随弹簧比压的增加而迅速减小,当弹簧比压达到0.22 MPa时,泄漏量趋于稳定。     

锥-孔组合型机械密封端面变形及密封性能分析

提出新型的锥-孔组合型端面机械密封,考虑液膜压场的变化规律与密封环受力变形的相互作用关系,构建了机械密封的3D流、固耦合数学模型,并给出相关的数值计算方法,获得了端面间膜压分布规律及端面变形情况,分析γ在高、低压工况下对密封性能的影响规律。结果表明:由菱形孔所引起的动压效应可使端面产生周向和径向波状变形,而静压效应随着γ的变化,在端面区域范围内所起作用也发生相应变化;对于压强较低和中等转速的设备,应优先选用γ=0的非锥度端面。对于较高压强和转速的设备,应优先选用γ=1或γ=0.2的收敛锥度密封端面。