动压型机械密封气液固流动特性及性能

为了探索动压型机械密封微间隙气液固流动特性及密封性能,建立了间隙润滑膜气液固多相流模型,对间隙流动进行数值模拟,分析槽型参数和工况参数对流动特性及密封性能的影响.研究表明:槽宽比、螺旋角和转速的增大以及槽深的减小均会使润滑膜空化区域增大;随着槽宽比、槽径比和槽深的增大,润滑膜开启力先增大后减小,最佳槽型参数值分别是槽宽比0.3~0.6、槽径比0.7~0.8、槽深6~10μm(转速高、槽深取大值),较小的螺旋角能获得较大开启力;在所研究参数内密封主要为负泄漏,转速、槽径比的增大和螺旋角的减小均会使泄漏量绝对值增大,而槽深、槽宽比的增大使泄漏量绝对值先增大后减小;总体上固体颗粒主要聚集在槽堰区及坝区内侧,槽径比减小和螺旋角增大会使固体颗粒向槽堰区聚集,易造成螺旋槽堵塞失效.     

表面粗糙度对液膜润滑动压型机械密封性能的影响

以激光加工多孔端面机械密封为研究对象,建立符合Gauss概率分布的表面粗糙度模型,利用Fluent软件模拟研究了密封端面不同部位表面粗糙度对密封性能的影响规律,并通过正交试验进一步分析了不同部位粗糙度对密封性能的影响程度.结果表明:液膜开启力和摩擦扭矩随端面粗糙度、转速的增大而增大;泄漏量随端面粗糙度的增大而减小、随转速的增大而增大;3个部位表面粗糙度对开启力增大、摩擦扭矩增大和泄漏量减小的影响程度为动环凹腔区粗糙度影响最大,静环端面粗糙度影响次之,动环非凹腔区粗糙度影响最小.     

上游泵送机械密封润滑膜固液两相流动特性

为了研究上游泵送机械密封润滑膜内部微小颗粒的分布规律及其对密封性能的影响,建立密封动、静环间液膜三维几何模型和数值模拟计算模型.基于两相流体的连续介质理论,利用Mixture模型对液膜内的两相流动进行数值模拟,分析了微尺度液膜内颗粒相的分布特点、进口颗粒体积分数对颗粒分布的影响以及由此引起的密封性能变化.研究表明:微小颗粒相主要存在于螺旋槽的槽根半径处及靠近螺旋槽的密封坝处,分布特征随着颗粒进口体积分数的增大而逐渐明显,这可能是上游泵送机械密封易出现螺旋槽堵塞的原因;在所研究的参数范围内,颗粒相的存在使液膜开启力增大且开启力和端面摩擦扭矩随着颗粒进口体积分数的增大而增大.     

激光表面织构机械密封润滑特性的试验研究

采用调Q半导体泵浦YAG激光器,利用＂单脉冲同点间隔多次＂激光加工工艺在密封环端面加工具有环形阵列分布的微凹坑织构.在机械密封计算机辅助试验装置上,进行了激光表面织构机械密封与普通机械密封的试样的对比摩擦性能试验,研究了激光表面织构技术在不同的密封介质压力和转速等工况下对机械密封的润滑特性的影响.结果表明：在试验范围内,激光表面织构技术对于改善机械密封润滑特性的作用主要受密封介质压力的影响,转速的影响则相对较小.与无织构机械密封相比,在较低密封介质压力的条件下（0.2 MPa）,激光表面织构机械密封能显著改善润滑特性,摩擦转矩最大可减小60%,转速对摩擦扭矩的影响不大.在较高密封介质压力的条件下（0.8 MPa）,转速对摩擦扭矩的影响起到较大的作用,只有当转速达到一临界值时激光表面织构机械密封才能够起到改善润滑的作用,且作用较小.     

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.     

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.     

考虑温度影响时具有表面纹理唇形油封的密封性能研究

基于弹流润滑理论和旋转轴密封的泵送机理,综合考虑密封唇表面粗糙度和表面纹理的影响,建立了油封密封区域的混合润滑数值模型.模型耦合了流体力学、变形分析、接触力学、温度能量守恒方程和黏温方程, 通过迭代求解数值方程,得到不同表面纹理(圆形、正方形、等边三角形)油封唇口的温度分布、不同转速下油封唇口的最高温度,对比分析了表面纹理对油封接触面温度的影响以及温度升高对油封泵吸率、油膜厚度、摩擦扭矩等密封性能的影响.结果表明:随着转速的增大,唇口最高温度线性递增,表面纹理明显提高了油封的唇部温度;油封工作时,摩擦面的温度从两侧向中间急剧递增,纹理区域温度明显升高,但3种纹理油封之间差异不具有统计学意义.温度升高导致3种纹理油封的泵吸率、油膜厚度、唇口密封压力下降,明显降低了油封的密封性能.     

乳液设备机械密封端面改型及冲洗降耗分析

针对乳液输送设备双端面机械密封主密封在实际运转中频现失效问题,采用端面螺旋槽造型技术对主密封进行端面改型,在考虑黏温关系的情况下,借助动网格UDF技术建立密封间隙液膜热流体计算模型,研究冲洗压力对液膜厚度、开启力、温度和冲洗液泄漏量等性能参数的影响规律,进行改型前后密封液膜热特性与冲洗液参数关系及端面摩擦功耗的对比分析.研究表明:冲洗压力增大,密封间隙膜厚减小,膜压增大,膜温升高,冲洗液泄漏量增大;主密封端面改型后,密封端面周向平均温度明显降低,随冲洗压力增大而增大的幅度明显减小,以及受温度、流量的影响程度也明显降低,且密封稳定性增加;同工况下,冲洗压力可降低0.1~0.5 MPa,达到延长密封寿命和显著降低冲洗系统能耗的目的.     

滑移流影响螺旋槽干气密封性能的解析法

干气密封低速运转时,气膜很小,受微尺度效应滑移流的影响明显.为准确、有效地计算低速运转下干气密封的性能,以螺旋槽干气体密封为例,采用有效黏性系数方程对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,获得不同滑移流模型对干气密封端面开启力、泄漏量、气膜刚度的影响规律.在不同转速、不同膜厚条件下与文献中的有限元法计算结果进行比较.结果表明,通过近似解析法获得开启力、泄漏量、气膜刚度与对照文献差别不大.相同转速下,气膜厚度在0.6~1.2 μm时,随着气膜厚度的增加,开启力和气膜刚度变小、泄漏量变大;相同膜厚下,开启力、泄漏量、气膜刚度均随转速的增大而增大.多种滑移流模型计算结果基本重合.     

基于摩擦因数的螺旋密封性能影响因素分析

为了揭示工作参数对螺旋密封性能和内部流动的影响机理,获得螺旋密封工作参数的选取范围和相互关系,将摩擦因数作为螺旋密封性能的量纲一评价因子.首先,建立了包括离心泵和螺旋密封的耦合三维模型和块结构化网格模型,基于RANS雷诺时均方法和RNG k-ε模型,选择螺旋角、相对槽宽和相对槽深等工作参数,基于Fluent软件预测了轴向雷诺数和螺旋密封摩擦因数的特性曲线,并对螺旋密封内部流场分布特性进行数值分析.结果表明:不同螺旋密封模型的摩擦因数随着轴向雷诺数增大而减小,且减小幅度越来越小;在其他影响因素一致,而仅改变螺旋角、相对槽宽和相对槽深中的某一参数的情况下,当螺旋角α=21.05°或相对槽宽r=0.5时,摩擦因数达到最大值,密封性能最优;当相对槽深H=3时,密封性能最优.为螺旋密封的设计和选型提供理论依据.     

胀圈高速旋转密封受力分析与计算

基于摩擦润滑理论,分别建立了胀圈旋转密封处于流体润滑和边界润滑2种状态下的受力模型.对胀圈受力情况与结构尺寸之间的关系进行了深入分析,对胀圈与轴槽端面之间的润滑状态进行了讨论.推导了胀圈在边界润滑状态下摩擦转矩的计算式,并通过专门设计的高速旋转密封试验台进行了试验验证,试验结果证明了计算公式的正确性.     

Influencing factors on hydrodynamic lubrication failure of upstream pumping mechanical seal

Considering the effect of viscosity-temperature relationship and cavitation of micro-scale film,the influencing factors on hydrodynamic lubrication performance of upstream pumping mechanical seal were investigated based on the theory of hydrodynamic lubrication.N-S equation,energy equation,viscosity-temperature equation and vapor transport equation were solved with the finite volume method by using Fluent software,which was performed to analyze the influence of the viscosity-temperature and cavitation effect on hydrodynamic lubrication failure of the film.The research demonstrates that it will lead to the significant difference of the temperature field by considering the coupling of temperature and viscosity.When the film thickness decreases and the rotating speed rises,cavitation regions and viscous friction heat increases,the opening force of the film is also enhanced.However,the growth rate is restricted to the cavitation regions and viscous friction heat,and the opening force begins to decline to a certain extent,and thereby being insufficient to open the surfaces of the seals and leading to the failure of automatic adjustment function and severe wear,lubrication failure occurrs.Through comprehensive research on the influences of viscosity-temperature and cavitation effect on hydrodynamic lubrication performance,the theories of failure and design of upstream pumping mechanical seal are further developed.     

多弧槽球面配流副润滑特性分析与多目标优化

为改善锥形缸体球面配流副油膜润滑特性,提出一种多弧槽球面配流副结构,并采用遗传算法对多弧槽球面配流结构进行多目标优化。首先,对多弧槽球面配流副进行理论建模,采用有限容积法对油膜压力控制方程进行离散化,利用环形三对角矩阵算法(CTDMA)求解球面配流副压力分布;然后,对多弧槽球面配流副承载特性进行仿真,分析球面配流副不同弧槽结构下的油膜厚度分布及压力分布规律;最后,以缸体倾角、泄漏量和摩擦转矩为优化目标,利用多目标遗传算法优化多弧槽球面配流副的结构参数。结果表明：多弧槽结构可提升球面配流副油膜承载能力,弧槽结构最小膜厚下降3.1%～4.0%,弧槽结构最大压力显著提高,最大增幅为16.3%;同时可有效降低泄漏量、摩擦转矩,优化后综合目标性能提升10.5%,缸体倾角、泄漏量和摩擦转矩分别下降5.1%、8.1%和5.9%,有效提升了球面配流副润滑性能。     

旋转轴唇形油封泵汲效应

基于旋转轴唇形油封的微观和宏观泵汲原理,应用流体动力学一维雷诺方程及油膜厚度表达式,假设唇口接触压力分布近似为三角形推导出泵汲率方程,计算分析了安装相关参数(接触宽度、抱轴力)、结构参数(油侧唇角、空气侧唇角)及运行参数(转速)等对泵汲率和密封性能的影响.结果表明,优化前和优化后2种油封模型的泵汲率均大于0,满足密封要求.抱轴力一定时,接触宽度增加,泵汲率增加;接触宽度不变时,随抱轴力的增加,油封唇口摩擦扭矩增大,泵汲率逐渐变小,但变化幅度不大.空气侧唇角不变时,随着油侧唇角增加,2种油封的泵汲率均显著增加;油侧唇角一定时,空气侧唇角增加,泵汲率逐渐减小.随着转速增大,唇口动压效应增强,泵汲率随之增大.2种油封相比较,优化后油封明显具有更好的泵汲效应和密封性能.     

不同润滑油品对内燃机主轴承润滑性能的影响

建立了内燃机主轴承热弹性流体动力润滑模型,对3种不同牌号的润滑油品的润滑性能进行了计算研究。结果表明,使用3种润滑油,在低速和小负荷工况下,主轴承处于流体动力润滑状态,润滑性能良好;在中等转速中等负荷工况下,油膜厚度减小,油膜温度上升,摩擦功耗增加,但轴承仍能维持流体动力润滑状态;在高转速大负荷工况下,使用CD5W/30润滑油时,主轴承处于边界润滑状态,表明该润滑油不适合在模型机上使用。