输送天然气离心式压缩机干气密封性能分析

为了了解高压下混合实际气体行为和理想气体的区别,采用Redlich-Kwong方程表达混合气体的实际行为,对Muijderman螺旋槽窄槽理论气膜压力控制方程进行修正,并加以求解.针对螺旋槽干气密封,以天然气为例,分析混合气体效应对螺旋槽干气密封的端面压力、泄漏率、气膜刚度和开启力等特性的影响,并在不同压力下与其对应的理想气体和甲烷气体进行对比.结果表明:天然气混合实际气体效应,易受压缩,使干气密封的泄漏率、槽根压力、端面开启力、气膜刚度增大,其中对泄漏率的影响尤为明显;尽管天然气中的绝大部分气体是甲烷气体,但是天然气密封性能与甲烷实际气体性能差距较大,不能仅通过甲烷实际气体来分析天然气的密封性能.     

锯齿形螺旋槽干气密封性能的数值模拟

为了研究锯齿形螺旋槽干气密封的性能特性.利用Fluent软件对其气膜流场进行数值模拟,并以开漏比(开启力与泄漏率之比)作为1个性能指标,分析其锯齿形表征角β1和β₂对锯齿形螺旋槽干气密封性能的影响,发现锯齿形螺旋槽干气密封的开漏比主要受角度β₁的影响.选择1组锯齿形表征角β₁=8°,β₂=30°的锯齿形螺旋槽干气密封为基础模型,将其与普通螺旋槽干气密封分别进行数值模拟,并对以上2种槽型相对应的气膜压力分布、开启力、泄漏率、开漏比和刚度等干气密封性能参数进行比较分析,结果表明:锯齿形螺旋槽干气密封具有更小的泄漏率,但开启力也较小,其开漏比大于普通螺旋槽干气密封,在膜厚较大时,具有更大的气膜刚度.     

仿鸟翼型双流通槽干气密封静压特性模拟

针对螺旋槽干气密封在低速下端面开启力不足、稳定性差的问题,借鉴飞鸟翼翅形状中翼尖和翼翅后缘的翅槽结构与小翼羽结构,从仿生学角度提出一种双流通螺旋槽端面干气密封(SDGS)端面结构,其特征是在螺旋槽的基础上开设一个密封堰.基于气体润滑理论,建立了数值分析模型并定义了双流通S-DGS的主要几何参数.采用有限差分方法求解雷诺方程,研究了静压条件下几何参数对双流通S-DGS端面开启力、泄漏率、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数的影响规律,并开展了双流通S-DGS的几何参数优化分析.结果表明:当密封堰周向宽度比0.4≤λ≤0.6,密封堰径向长度比0.6≤γ≤0.8,槽坝比2≤δ≤3,槽深5μm≤h g≤8μm,螺旋角15°≤α≤20°,槽堰比0.7≤η≤1.3时,双流通S-DGS具有最佳工作性能.研究结果为低速下干气密封的型槽设计提供了理论依据.     

螺旋槽干气密封端面气膜温度场的数值分析

为了解因黏性剪切和压缩膨胀等因素导致干气密封气体流经密封端面时的温度变化,以空气润滑螺旋槽干气密封为研究对象,利用CFD软件的三维数值模拟功能,分别研究了膜厚t、转速n和密封气体压力po对稳态运行时端面气膜温度分布的影响.结果表明:气膜温度沿径向和周向均发生变化,螺旋槽内靠近外径处的气体温度较低.随着膜厚t的增大,气膜的高温区由台区逐渐转移到密封坝区.膜厚t越大,端面气膜的平均温度越低.转速n对于气膜温度的影响明显,随着转速n增大,气膜温度迅速上升.而随着密封气体压力po的增大,泄漏量St逐渐增大,通过泄漏气体带走的热量相应增大,气膜温度相应降低.     

干气密封螺旋槽内润滑气膜的热力过程

基于滑移边界条件下的雷诺方程,不考虑密封环的变形,通过PH线性化方法、迭代法求解获得了气膜压力函数式.根据气膜微尺度流体流动过程中的熵变方程,得到了螺旋槽内气膜温度场分布.考虑微槽道内气流在不同阶段的熵变过程,分析了气膜温度场在不同多变指数下的分布规律,进而在不同多变指数下计算出密封环的热弹变形量及气膜厚度近似表达式,利用广义雷诺方程求解热弹变形下的气膜压力分布.在不同多变指数下对泄漏量进行计算并与无变形时的理论泄漏量进行比对.结果表明：随着气体从外径流入内径,槽内温度先升高后降低,密封环的变形量先增大后减小,泄漏量随变形量增大而变大,从而对密封性能产生影响.试验验证了泄漏量在采用不同多变指数时更接近于实际工况.这为螺旋槽干气密封的优化设计奠定了理论基础.     

螺旋槽干气密封端面非平行间隙压力分布的近似解析计算

为了研究变形后螺旋槽干气密封的气膜压力分布情况,基于MUIJDERMAN的螺旋槽窄槽理论,给出了螺旋槽干气密封端面非平行间隙气膜力的1种近似解析计算方法,并结合具体算例,与平行间隙情况进行了对比.结果表明,与平行间隙情况相比,在密封面的区域内存在某一半径R处,变形前后的气膜压力保持不变.当密封端面间形成发散型(“A字形”)间隙时,在r小于R区域,气膜压力降低,而在r大于R区域,气膜压力增大.随着偏转角θ的增大,最小膜厚减小,泄漏量增大;当形成收敛型(“V字形”)间隙时,在r小于R区域,气膜压力增大,而在r大于R区域,气膜压力降低.随着偏转角θ的增大,最小膜厚和泄漏量均先减小而后增大.     

基于CFD螺旋槽干气密封端面流场分析

应用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面微尺度三维流场气膜进行建模,并运用Fluent软件对三维流场模型以层流流动形式进行数值模拟计算.在特定工况下,根据计算所得端面流场产生的动压效果和径向流速,确定使端面气膜推力（即开启力）和泄漏量同时达到最优时的气膜厚度;在确定的气膜厚度下,即分别为3.5,4.5,5.5μm时进行数值模拟计算,通过改变压力和转速,研究不同压力和转速对端面泄漏量和功耗的影响.结果表明：当气膜厚度在3～6μm时,产生较好的动压效果和较小的径向出口流速;当气膜厚度取为3.5μm时,端面总体效果达到最好,即产生动压效果最好,出口径向流速最小;当气膜厚度和压力确定时,泄漏量和功耗随着转速的增大而增大,且成线性关系;当气膜厚度和转速确定时,泄漏量和功耗随着压力的增大而增大,也成线性关系.     

基于CFD的螺旋槽干气密封端面流场流态分析

应用Gambit软件建立三维螺旋槽干气密封模型,并对其进行了网格划分.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的两种流态,即层流和湍流分别进行了数值模拟,得到了两种流态的压力分布、速度分布以及泄漏量.运用模拟得到的层流和湍流的速度,根据流动因子进行了理论计算,结果表明：螺旋槽干气密封端面气体是以层流流动的.将模拟得到的层流和湍流的泄漏量与其相同工况下试验所测得的泄漏量进行对比分析,结果表明：螺旋槽干气密封端面气体亦是以层流流动的,模拟层流泄漏量为6.92×10^-6m^3/s,试验值为6.94×10^-6m^3/s,十分接近.综合以上两种结果表明：在一定工况下,螺旋槽干气密封端面气体是以层流流动的.     

底表面粗糙度影响干气密封性能的确定性方法

为了研究槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响,建立沿密封端面径向分布为正弦曲线的槽底表面粗糙度模型,考察在单个取样长度Lr内正弦波波长λ对密封性能的影响,确定了正弦波波数n=10,即波长λ=0.08 μm,采用近似解析法求解密封端面间隙的气膜压力分布,得到了不同槽深和不同膜厚下槽底表面粗糙度对干气密封端面开启力和泄漏率的影响规律.结果表明:针对所研究的工况,与光滑面相比,槽底面粗糙度Ra=0.4 μm时,开启力的最大相对误差(绝对值)为0.12%,泄漏率的最大相对误差(绝对值)0.31%;槽底表面粗糙度Ra=0.8 μm时,开启力的最大相对误差(绝对值)为0.50%,泄漏率的最大相对误差(绝对值)1.26%.这说明,一般工况下,槽底表面粗糙度Ra≤0.8 μm时,可忽略槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响.而在非槽区气膜厚度h₀<2 μm的运行工况下,建议将槽底表面粗糙度Ra降低到0.4 μm以下.     

静压干气密封端面流场数值模拟

为了提高静压干气密封的性能,基于N-S方程、层流模型、SIMPLEC算法,在节流孔直径和端面间隙变化的情况下,对静压干气密封流场进行数值模拟,重点考察了端面气膜压力及开启力的变化情况.数值结果表明：密封气在流经节流孔后形成显著的压力降,该压力降的大小会随端面间隙增大而增大,随节流孔径增大而减小.端面压力在均压浅槽区中心附近最高,向四周逐渐下降,在均压浅槽区边沿附近,压力梯度较大.开启力总体随间隙增大而减小,极小值接近于0.当端面间隙在5～12μm范围内,开启力随间隙增大而迅速减小,端面气膜具有很大的刚度.较小的节流孔直径可在小端面间隙条件下获得更大的气膜刚度.根据计算数据,对某轴径为30mm的反应釜搅拌器轴端密封,在转速为50～300 r/min范围内成功进行了台架实验,重点对泄漏量和端面磨损状况进行了监测,结果表明密封实现了稳定的非接触式运转.     

实际气体效应对螺旋槽干气密封性能影响的数值分析

在干气密封的研究和设计过程中,一般将密封气体按理想气体处理.但在高压情况下,某些气体的实际效应明显偏离理想气体.以工业上常见的空气、CO₂(二氧化碳)、H₂(氢气)和N₂(氮气)为例,针对广泛使用的螺旋槽干气密封,利用CFD商业软件的三维数值模拟功能,考虑实际气体效应,并同时考虑了气体流经密封环端面时温度发生变化的情况,得到了实际气体效应对干气密封开启力和泄漏率等密封性能的影响规律.结果表明:在压力不超过4.6 MPa研究范围内,空气、N₂实际气体与理想气体的密封性能基本相同,而CO₂实际气体的开启力和泄漏率大于理想气体结果,H₂实际气体开启力和泄漏率则略微小于理想气体结果.实际气体效应对干气密封的泄漏率影响较大,对开启力的影响不大.     

螺旋槽造型端面液体机械密封内流场的数值分析

端面螺旋槽造型机械密封的研究已取得重要进展,特别是螺旋槽干气密封已在生产中得到应用,但对于螺旋槽液体机械密封内流场特性及性能的研究还有待深入。在分析液体机械密封特点和机理的基础上建立端面液膜压力控制方程,采用FLUENT软件分别对普通机械密封和螺旋槽机械密封内流场进行数值模拟,得到密封的压力、壁面剪切力、速度分布图和泄漏量,并进行对比,深入分析内流场特性与密封性能的内在联系。研究表明：与普通机械密封相比,螺旋槽液体机械密封端面存在明显超出介质压力的高压区和密封内径处泄漏液回吸等现象,这是螺旋槽密封泄漏量小得多并产生明显开启力的主要原因。     

用于幂律流体螺旋槽液膜机械密封性能的解析法

为深入研究密封介质为非牛顿流体的螺旋槽上游泵送机械密封性能,以幂律流体为研究对象,基于Muijderman推导牛顿流体润滑轴承的端面压力分布表达式,把幂律流体二维定常流动雷诺方程和流量方程分别替换牛顿流体的表达形式,获得了密封端面流场的压力分布表达式,进而得到密封开启力、泄漏率等性能参数．将解析所得结果与采用Fluent模拟结果进行比较,两者数据吻合．再基于近似解析法,分别分析了稠度系数m和流性指数n对密封性能的影响,结果表明,密封开启力随流性指数n和稠度系数m的增大而增大．对于泄漏率而言,当密封胀塑性流体时,流性指数n和稠度系数m几乎没有影响．当密封假塑性流体时,处于较小膜厚时受稠度系数m和流性指数n的影响甚微,但处于较大膜厚时随流性指数n和稠度系数m增大而变大.     

油气混输泵纯气输送下倾斜端面上游泵送机械密封稳态性能

以纯气体输送时的油气混输泵上游泵送螺旋槽机械密封为研究对象,基于气体润滑理论并采用有限差分法,在考虑密封环发生相对倾斜的情况下,研究操作参数、结构参数及密封环相对倾斜角对密封稳态性能的影响规律和作用机制.数值分析结果表明,相对于平行密封间隙,密封环发生相对倾斜时,会使膜厚减小区域的膜压峰值和膜压高压区范围明显增大,使膜厚增大区域的膜压峰值和膜压高压区范围明显减小;无论研究的参数如何变化,开启力、泄漏率及气膜刚度始终呈现出随着密封环相对倾角增大而增大的变化规律;通过增大转速、设计较小的平衡膜厚或优化型槽结构不仅可有效增强密封的上游泵送能力,以实现被密封介质的零泄漏,还可有效改善密封的开启性和稳定性.