基于动网格的上游泵送机械密封性能参数分析

为了准确获得上游泵送机械密封的液膜厚度,采用Pro/E软件建立螺旋槽上游泵送机械密封的三维参数化模型,应用Fluent软件的动网格技术,同时考虑空化的影响,对机械密封微间隙内流场进行了数值模拟.将得到的液膜厚度与有关文献的测试结果进行对比分析.在同时考虑空化模型和动网格技术的基础上,计算分析了工况参数对液膜刚度和泄漏量的影响.结果表明,应用动网格计算的液膜厚度与测试结果所获得的结果基本一致,最大相对误差为19.6%,最小相对误差为0,平均相对误差为8%,从而验证了动网格技术在机械密封内流场模拟中的可行性;机械密封内流场计算应当考虑空化问题,才能得到比较真实的内流场特性;液膜厚度、泄漏量和液膜刚度随着转速、介质压力的增大而增大,端面螺旋槽在产生泵送效应的同时也产生动压效应.     

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。     

多孔端面机械密封内流场的数值分析

为了研究由激光加工的多孔端面机械密封的内部流动问题,以被加工密封面的单个微凹腔作为模型,采用计算流体力学(CFD)软件求解N-S方程和k-ε方程,得出环两侧无压状态下的压力、速度和能量分布图,以及环两侧加压状态下单个微凹腔的动静压分布图,并对计算结果进行了分析.研究表明:合适的微孔尺寸可以产生流体动压效应,此时可产生液膜开启力;凹腔的动压分布受凹腔两侧压差的影响,动压分布的改变能够产生一定的液膜阻力,起到减缓泄漏的作用.研究结果为深入了解多孔端面机械密封动压效应的形成机理以及微凹腔的优化设计,提供理论参考.     

动压型机械密封内流场及性能的流固热耦合

为了分析液体动压型机械密封环变形对间隙液膜特性的影响,基于Workbench平台建立动环-液膜-静环的双向流固热耦合计算模型,对变形后的内流场进行模拟计算,对双向流固热耦合前后内流场的压力、温度以及螺旋槽内速度进行对比分析,并比较了流固热耦合后开启力、摩擦扭矩以及泄漏量的变化.研究结果表明:经过双向流固热耦合计算后,液膜在动环端面附近受压缩,在静环端面附近沿周向呈明显波浪状周期性波动,外径处液膜平均厚度减小、内径处液膜平均厚度增大,液膜厚度最大变化约16.0%;双向流固热耦合前后压力场、温度场分布规律类似,但液膜最高压力明显变大,在文中计算工况下变大约67.0%,液膜最高温度略有变大,螺旋槽根部附近液体流速降低;考虑了流固热耦合变形后,液膜开启力变大,摩擦扭矩略微变大,泄漏量明显变大,且转速越高各密封性能参数的变化越大.     

基于响应面法的上游泵送机械密封优化

为了找出更有效的优化方法,在考虑空化模型的基础上,以螺旋槽的几何参数(槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β以及槽区宽度比γ)为设计变量,以泄漏量为优化目标,采用均匀试验设计法设计了50组机械密封端面槽型几何参数值,并利用CFD方法计算目标函数值,从而建立端面槽型几何参数和泄漏量的回归模型.运用Matlab软件绘制等值云图,利用响应面法分析端面槽型几何参数槽深、螺旋角、槽径宽径比以及槽区宽度比之间的交互作用对泄漏量的影响,并对机械密封微间隙内流场进行数值模拟验证,从而得到端面参数的最佳组合.研究表明:采用响应面法对上游泵送机械密封进行优化可行;螺旋槽的槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β、槽区宽度比γ分别在6~12 μm,16°~20°,0.35~0.55和0.45~0.6取值时,能够获得更好的密封性能.     

双向自泵送流体动静压型机械密封性能数值模拟

为了解决双向流体动压机械密封稳定运行需要提供洁净的阻塞流体这一问题,提出一种双向自泵送流体动静压型机械密封,运用Fluent软件对泵出式和泵入式双向自泵送机械密封进行了数值研究,得到了双向自泵送机械密封的开启力、泄漏量和刚度,分析了流场压力分布、速度分布特性与密封性能之间的关系.结果表明:泵入式双向自泵送机械密封具有较大的开启力,泵出式具有较小的泄漏量,两者工作时都不需要阻塞流体辅助供应系统;泵出式型槽内流体流动方向约为-90°,由槽根部指向槽外径处,泵入式型槽内流体流动方向约为70°,在密封坝与槽根部相连的区域中流体流动的方向约为-80°,均指向引流孔,形成了良好的抗颗粒干扰性;泵入时端面流体膜刚度大于泵出时的端面流体膜刚度.研究成果为双向机械密封的设计、制造与运行提供了理论支撑.     

基于扬程定义的密封端面螺旋槽泵送效应分析

基于水泵的扬程定义，结合端面机械密封的特点对扬程定义式进行了简化修正，给出了描述端面螺旋槽液体机械密封泵送效应的表达式，揭示了泵送效应与端面静压分布的关系．应用Fluent软件对密封环端面间的流场进行了数值模拟，根据模拟的结果验证了泵送效应表达式的准确性和适用性；结合数值模拟的结果和上述表达式，对比了在旋转环和静止环两种情况开槽时数值模拟的结果，分析了密封端面螺旋槽开槽端面的不同对螺旋槽泵送效应的影响，发现在旋转环端面开槽时螺旋槽产生的泵送效应优于在静止环端面开槽的情况，且在旋转环端面开槽有利于减小密封环端面间的摩擦．     

基于CFD柱面气膜密封静态力学性能分析

为了探索新型密封槽结构对柱面气膜密封性能的影响,通过建立无槽和T型槽气膜计算模型,利用CFD软件对2种结构气膜的静压力分布、流体速度分布、剪应力分布进行对比分析.结果表明:无槽浮动环在偏心旋转过程中由于流体动压效应,使得气膜压力沿周向存在较大压差,最小膜厚处为高压区,最大膜厚处为低压区;T型槽气膜在槽型部位和槽根处气膜压力较大,由于T型槽模型静压分布最大压强大于无槽模型;T型槽浮动环可产生流体动压效应,使得气膜表面沿周向分布与槽数相等的压力波峰;与无槽浮动环相比,T型槽浮动环产生的流体动压效应使得流体速度大于无槽时数值;无槽气膜最大剪应力在最小膜厚处,T型槽气膜最大剪应力在最小膜厚处和T型槽根部坝区,且T型槽气膜最大剪应力大于无槽气膜最大剪应力.     

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.     

多孔扇形分布端面机械密封的结构优化

以微型多孔扇形分布光滑端面机械密封为对象,建立了表征密封端面运行状态的物理方程,并采用有限单元法求解了端面流体膜压力的控制方程,即二维稳态Reynolds方程;给出了流体膜刚度、端面开启力、泄漏率和流体膜刚漏比等主要密封性能参数的计算表达式;在给定操作参数条件下,分析研究了这些密封性能参数受微型多孔端面扇形区的数量k,周向开孔比α与径向开孔比β,以及微孔半径rp与深径比ε等微孔几何参数影响的规律,提出了获得优良密封性能的几何参数优选原则和优选范围.结果表明,在给定操作参数和密封介质性质的条件下,扇形区块数和微孔径一定时,微孔深径比对机械密封性能的影响最明显,其次是周向开孔比和径向开孔比,且当ε=0.003~0.007,α=0.3~0.5,β=0.45~0.85时,多孔端面密封可获得最佳综合性能.     

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.     

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.     

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.     

螺旋槽干气密封热力耦合流场近似计算及分析

为了研究干气密封在高速高压运转下受到外力作用导致密封腔内不规则变形时的流动特性.考虑力和热作用2种情况下,分别获得密封环的变形量及其气膜厚度的近似解析式.将力变形量叠加至热弹变形中,获得热力耦合作用下密封腔内气膜厚度的近似解析式,进而获得密封腔的理论流量,并对比分析无变形、热弹变形、力变形以及热力耦合变形4种情况下的理论流量与实测流量.研究结果表明:密封腔内流量随介质压力增大而增大;当仅考虑力作用时,所获得的流量值大于试验值;仅考虑热弹作用时,流量值虽然小于试验值,但误差较大,与其他几种情况相比,热力耦合作用下密封腔内的流量值与试验值的误差较小.在工程运用中,考虑热力耦合变形为优化槽型结构参数提供了理论基础,进而达到控制流量的目的.     

动压机械密封动力槽的优化及换热器面积的确定

针对高温、高压泵的机械密封端面容易出现磨损或烧损的问题,分析了热流体动压机械密封的工作原理;在高温、高压泵上采用了热流体动压机械密封,以及使用API682 32系统作为密封辅助冷却方案．对动压机械密封的端面动力槽作了优化设计;对密封系统的换热器进行了设计计算,使得密封能在较为理想的工作温度下工作．结果表明,在高温热水工况下,冲洗水流量及温度满足设计要求时,端面圆弧槽的密封效果最好,最大使用寿命可达8000h;液膜的承载能力随着密封端面圆弧槽槽数的增加而增加,受槽深的影响比较小;换热面积为0．50m^2的换热器是合理的,并应尽量使用较大换热面积的换热器,使进入密封腔的冲洗水温度低于100℃．     

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.     

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.