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。     

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。     

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.     

非完整液膜上游泵送密封特性分析

针对密封端面动压槽数量较少或低速低压密封运转过程,上游泵送密封端面处于非开启状态,提出一种能有效润滑密封表面并减少泄漏量的非完整液膜上游泵送密封。利用Fluent流场分析软件,建立了非完整液膜上游泵送密封模型,对比分析了非完整液膜上游泵送密封和接触式机械密封的液膜承载能力和端面润滑特性;研究了在不同工况和动压槽深度情况下,非完整液膜上游泵送密封的液膜承载能力和动压开启效果的变化规律。结果表明:非完整液膜上游泵送密封的液膜承载能力随着工作压力和转速的增加而增加,动压开启效果随着工作压力的增大而减小,转速的增加而增加;液膜承载能力和动压开启效果随着膜厚的增加而减小。     

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.     

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.     

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。     

方向性菱形孔机械密封性能实验研究及机理剖析

采用自行搭建机械密封实验台,对菱形孔织构端面密封进行多种工况的机械密封运转试验,从而获得润滑和密封性能良好的端面织构。在给定工况条件下,考察菱形孔织构的尺寸、形状、排布方式以及深度对摩擦扭矩、腔体温度和端面温度的影响规律、端面间液膜的运动形态及其孔型成膜机理分析。结果表明:在同工况条件下,6种织构端面的摩擦扭矩排序为:6#≤4#≤3#≤2#≤7#≤1#,故摩擦学性能最好是6#试件;同样,所产生的密封腔体温度△Tq°C和端面温度△Td°C具有相似规律。具有合适孔型尺寸、孔深、分布形式和方向角的织构端面,会产生极好的动压、空化和界面滑移效应以及二次存储油液功能,可有效提高端面密封性能,减小端面摩擦扭矩。     

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.     

微菱形织构表面旋转轴密封性能研究

综合考虑液膜空化及质量守恒边界条件,构建了轴面微菱形织构油封模型,通过数值计算获得膜压分布和微菱形孔结构参数对密封性能的影响关系。结果表明：微菱形孔所引起的动压效应可使膜压场产生变化,从而影响密封可靠性、润滑特性和泵汲效应;通过改变结构可控制泵吸方向、稳定液膜和减小摩擦。为提高稳定性和泵汲效应,并降低泄漏和磨损,选用半轴比γ=0.4~0.6、孔深h₁=1.5~4.5μm和微孔旋转角α=40°~50°轴面微菱形孔织构更为合理。     

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     

菱形孔密封环端面密封性能分析

针对密封端面开有等深大菱形孔的液体润滑密封环,采用有限元法求解其等温及层流不可压缩二维Reynolds方程,并通过求解密封环的力平衡方程,分析了在不同操作工况下,大菱形孔端面密封的平衡膜厚、泄漏率和液膜刚度等密封性能参数随孔深、半长轴长度、孔列数变化的规律.结果表明:在分析范围以内,当大菱形孔开孔深度d1=3.5~5.0μm、密封端面大菱形孔的半长轴长度a处于1.2~1.8mm、沿密封端面周向对称分布的菱形孔列数N=165~195时,大菱形孔端面密封的液膜稳定性和密封性能较好.     

内曲线径向柱塞马达滚柱-柱塞配合间隙优化

针对内曲线径向柱塞马达的泄漏和磨损问题,在考虑黏压效应、空化效应、油液压缩性及油沟压力与油膜边界压力的耦合作用下,对滚柱-柱塞摩擦副之间的动静压混合润滑油膜建立非稳态的弹流润滑仿真模型.基于该模型,对比分析了不同的配合间隙尺寸对油膜特性及泄漏的影响.结果表明:减小配合间隙可以降低空化、减小泄漏、提高油沟的静压支撑作用,增加配合间隙则可以提高油膜的动压效应.综合考虑最小油膜厚度、泄漏量和空化三个因素,滚柱-柱塞配合间隙的最优值为0.03 mm.     

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。     

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.
     

轴系倾斜下可倾瓦推力轴承静动特性分析

针对船舶可倾瓦推力轴承在实际运行过程中存在的轴系倾斜问题,建立倾斜状态下可倾瓦推力轴承热弹流体动压润滑计算模型,研究倾斜状态对可倾瓦推力轴承静动特性的影响。提出了以倾斜角和轴线投影角两个参数来表征倾斜状态的数学模型;联合热弹流体动压润滑模型和轴向油膜刚度、阻尼系数求解模型,全过程求解可倾瓦推力轴承静动特性。静态性能参数包括载荷、最小油膜厚度、最大油膜压力、最高油膜温度;动态性能参数包括轴向油膜刚度和阻尼系数。结果表明:轴线倾斜使每块瓦承受载荷严重不均,造成各块瓦巨大的性能差异;倾斜角增大使瓦所承受载荷、油膜压力和油膜温度增加,油膜厚度减小,且外载荷越大变化越显著;轴线投影角所在轴瓦承受载荷最大,当轴线投影角在支点附近时,静态性能参数皆有极值存在;轴线投影角在距瓦进油边31°的位置时推力轴承轴向油膜刚度和阻尼系数有最大值。研究结果可为倾斜状态下可倾瓦推力轴承可靠性的提高提供参考。     

结构参数对离心喷嘴出口液膜厚度的影响

应用基于VOF的界面跟踪方法和realizable k-ε湍流模型分析了喷嘴出口结构参数对出口液膜厚度的影响规律,并将数值结果和试验数据进行对比,证实了模型的可靠性.结果表明:在喷嘴出口处液膜以环状形式分布,中间有一空心气锥,空心气锥半径越大,液膜越薄,并且随着流量的增大,液膜的破碎长度减小;喷嘴出口扩散角越大,喷嘴出口处液膜越薄,液膜破碎长度越短;喷嘴出口直径越大,液膜破碎长度越长,但液膜厚度不稳定;喷嘴出口直管段越长,液膜破碎长度越短,但对液膜在喷嘴出口后期发展的影响不是很大.     

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。     

超声空化影响因素的数值模拟研究

在超声空化理论基础上,应用Matlab语言,对影响超声空化的各种液体物理参数及声场参数等进行了数值模拟,分析了空化泡崩溃时间与崩溃时泡内最高温度和最大压力的关系.结果表明,空化泡初始半径越大,需要的阈值声压越小;较低的温度和较低的超声波频率能使空化泡产生变得容易;声压幅值较高的超声波能使空化泡运动加剧;空化泡崩溃所用时间随空化泡内蒸汽压增大而变长;空化泡发生崩溃瞬间泡内的最高温度随气体比热比的增加线性增大,崩溃时泡内最大压力随气体比热比增大而减小.这为超声空化效应的研究和实际应用提供了基础理论依据.     

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.