介质温度对密封润滑膜颗粒沉积特性及性能影响

在考虑水的饱和蒸汽压力与温度的关系、黏温效应以及牛顿流体内摩擦效应基础上,建立了涉及润滑膜温度的上游泵送机械密封微间隙气液固多相流动计算模型,采用Fluent中Mixture模型和DPM模型进行了数值模拟,研究了介质温度对密封润滑膜固体颗粒运动、沉积分布、沉积率及密封性能的影响规律.研究表明:介质温度升高,外槽根高压区压力减小,吸入颗粒数量增多且进入槽区的颗粒更易向外槽根和坝区运动,进入膜区的颗粒多数在较大离心力和压力梯度力的作用下从外径侧逃逸,颗粒沉积区域向外槽根收缩,沉积率降低,转速较低时颗粒易在外槽根附近槽区沉积且介质温度越低沉积区域越向内槽根拓展,转速较高时则易在外槽根及坝区沉积;润滑膜开启力和摩擦扭矩随介质温度增大而减小,摩擦扭矩随转速升高而增大且对介质温度更敏感,泄漏量随介质温度的升高而向正泄漏方向移动.     

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.     

一种钠冷快堆核主泵动静压导轴承间隙流体动力特性分析

针对钠冷快堆核主泵在实际运行过程中存在轴颈磨损和泄露问题,提出了一种通过设置螺旋槽来改善轴承间隙流体动力特性的方法.基于CFD数值模拟,对比了轴瓦螺旋槽轴承和主轴螺旋槽轴承性能优劣,发现主轴螺旋槽轴承效果更好.据此,探讨了螺旋槽结构参数对轴承间隙流体动力特性的影响,提出了初步优化的轴承结构.结果表明:影响支反力和偏位角的主因素是螺旋槽螺旋角,随着螺旋角的增大支反力增大、偏位角减小;影响泄漏量的主因素是螺旋槽螺旋角和槽台宽比,随着螺旋角和槽台宽比的增大泄漏量增大;头数对轴承性能参数影响不具有统计学意义.当螺旋槽结构参数设计为头数12,螺旋角42°,槽台宽比2时,导轴承具有最优的综合性能.研究成果对轴承结构设计有一定的指导意义.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

三维平行微间隙流场数值模拟

为了研究上游泵送机械密封微间隙流体动压效应,将螺旋槽端面微间隙简化为三维直槽端面平行微间隙以排除泵送效应的影响.据此,建立了平底槽、渐扩台阶槽和渐缩台阶槽的平行微间隙液膜几何模型和计算模型,分别在槽板移动和平板移动的情况下针对不同移动速度和不同槽深进行流场数值模拟和开启力计算研究.研究表明：在文中研究参数范围内,无论是平底槽还是台阶槽,液膜收敛区出现高压,液膜发散区出现低压;液膜空化前,无论是槽板移动还是平板移动,平底槽微间隙开启力大小与平移速度、槽深、板间隙大小无关;液膜空化后,平底槽和台阶槽液膜开启力均随平移速度的增大或板间隙的减小而明显增大,但在同等条件下,槽板平移产生的开启力大于平板平移,且槽板平移时加大槽深能增大开启力,渐扩台阶槽平行微间隙能产生更大的开启力.     

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.     

外啮合斜齿轮高压泵的CFD数值模拟

为研究流量脉动系数对外啮合斜齿轮高压泵内部流场的影响,通过理论推导流量脉动系数的计算公式,分析螺旋角对流量脉动系数的影响,并结合计算流体力学(CFD),对外啮合斜齿轮高压泵的流场进行数值模拟,得到高压泵在不同转速、不同径向间隙下的压力脉动和流量特性.结果表明:增大螺旋角会减小流量脉动系数,有利于改善出口流量的品质,降低齿轮泵泄漏;另外,转速和径向间隙在一定范围内增大时,脉动系数逐渐减小,泄漏涡强度也会减小.当转速和径向间隙继续增大时,脉动系数趋于平稳波动;转速增大时,啮合区域的压力变化较大,但是靠近泵腔壁处的齿轮压强变化较小;径向间隙增大时,泄漏流动和泄漏涡强度会降低,在设计中适当增大转速和径向间隙可以改善出口流量品质.研究高压泵内部流场的运动规律和流量脉动特性对于外啮合斜齿高压泵的设计和优化具有一定的参考价值.     

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.     

螺旋槽端面密封的刚度特性

为了解决螺旋槽端面密封在不同环境下的刚度设计问题,对其刚度特性进行了数值计算和影响因素分析.采用Possion方程定解的贴体坐标生成计算网格,将螺旋槽不规则曲线边界转换为规则矩形边界.将Reynolds方程转换到计算平面,采用基于贴体坐标系的有限差分方法对Reynolds方程进行数值求解,得到螺旋槽密封刚度特性数值模型,并分析了内外径比和转速对密封刚度特性的影响.结果表明：当其他参数固定,内外径比为0.5～0.6时,流体膜具有最大的刚度;随着密封外径的增大,刚度整体有所提高,内外径比对刚度的影响更为显著;流体膜刚度随转速的升高而线性增大,并且内外径比为0.5～0.6时,刚度增大幅度最大;对于窄面密封,当扰动随转速成比例提高而导致密封刚度不足时,必须提高内外径比才能保证密封的正常工作.     

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.     

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.     

分流叶片包角对低比转速离心泵固液两相非定常特性的影响

为了研究分流叶片包角对低比转速离心泵固液两相流动的影响。采用mixture多相流模型及ANSYS CFX软件对5组不同分流叶片包角的低比转速离心泵模型进行固液两相流动的数值模拟。探讨不同分流叶片包角的低比速速离心泵效率、扬程、静压分布、固相体积分数、径向力等的影响因素。结果表明：在清水条件下分流叶片包角φ=70°时，效率到达最高，在固液两相条件下效率均随分流叶片包角增大而降低；固体颗粒主要分布在叶片背面后侧，随分流叶片包角的增大，分流叶片上的固体颗粒逐渐向叶轮进口处扩散，主叶片上固体颗粒分布基本不变；分流叶片包角过大或者过小都不利于减小离心泵的压力脉动和径向力，存在最优分流叶片包角φ=70°。     

端面规则凹坑造型机械密封综合性能的数值分析

考虑密封端面间液膜的空化现象和流体动、静压效应的相互影响,建立了端面规则凹坑造型机械密封的理论分析模型,利用多重网格法分析了在不同的密封系数下,球缺面凹坑的几何结构参数对端面间液膜开启力、摩擦转矩和液膜刚度的影响.结果表明,密封系数和微凹坑的深径比对密封性能的影响较大,密封系数越大,液膜开启力和刚度越大,存在最优的深径比使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的深径比随着密封系数的增大而减小;面积密度对密封性能的影响不明显,存在最优的面积密度使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的面积密度不受密封系数的影响.     

几何参数对矩形微通道内流体流动特性的影响

以试验手段对8根不同水力直径矩形微通道内蒸馏水的流动特性进行研究,测量得到了矩形微通道内流体流动时摩擦阻力系数f和摩擦常数P_o随Re数的变化规律,分析了矩形微通道水力直径、深宽比及长径比等几何参数对其内流体流动特性的影响规律和方式.结果表明:对于深宽比相同的微矩形通道,水力直径或长径比的减小都将引起内流体流动的f值和Po值的增大;而对于长径比相近而深宽比不同的矩形微通道而言,随着深宽比的减小,微通道内的f值和Po值也将增大;文中研究范围内,深宽比对矩形微通道内流体流动特性的影响更大;矩形微通道内流体流动的摩擦阻力系数是水力直径、深宽比及长径比等几何参数的复杂函数.     

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.     

螺旋槽干气密封系统轴向振动响应及结构优化

以密封静环为振子建立了气膜-密封环流固耦合系统轴向振动的计算模型,利用PH线性化方法、复函数分离变量法和小参数迭代法近似求解雷诺方程,求得了气膜动压近似解析式,进而求出了气膜推力.以此推力作为振动方程的激振力,建立了轴向单自由度受迫振动方程;利用龙格-库塔法求解,获得了不同螺旋角和槽深响应的振动相轨图和时间历程图,并分析了螺旋角和槽深对振动位移的影响.研究结果表明：螺旋角和槽深对振动参数均有影响,其中螺旋角对振动最为显著.改变螺旋角和槽深数值可以控制密封环的振幅,通过选择其最佳值可以保证干气密封运行的稳定性.本实例的最佳值为螺旋角74°58′48,″槽深5μm,与试验数据基本一致.