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．     

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.     

双叶片螺旋离心泵非定常压力脉动数值分析

为了分析双叶片螺旋离心泵内部流动压力脉动特性,以ZJ200 - 25型螺旋离心泵为研究对象,采用Navier- Stokes方程和标准SST k -ε湍流模型对其内部流场进行了多工况全流道非定常数值模拟.在叶轮与蜗壳耦合面上以及泵进出口处设置了7个监测点,计算得出了各监测点的压力脉动时域及频谱特性.计算结果表明,各工况...     

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。     

端部效应修正螺旋窄槽理论应用于液膜机械密封的解析法

针对螺旋槽上游泵送机械密封的研究和设计过程中,利用未考虑修正因素的近似解析法所得结果与试验结果偏差进行比较,为准确、高效地解析计算螺旋槽上游泵送机械密封的性能,考虑液体进入螺旋槽时会产生压力损失的“端部效应”,对螺旋槽根处的压力进行了修正,获得了修正后的液膜压力分布近似解析表达式和密封的开启力.并将开启力与未修正的近似解析计算结果、数值模拟结果和试验结果进行了比较.结果表明:修正后的近似解析计算结果与数值模拟结果和试验结果基本吻合,当密封处于低压差工况时,与数值模拟结果的平均相对误差为19％,最大相对误差为62％,与试验结果的平均相对误差为86％,最大相对误差为155％;当密封处于高压差工况时,与数值模拟结果的平均相对误差为19％,最大相对误差为25％.研究结果可为上游泵送机械密封等液膜润滑机械密封的研究、设计和应用提供参考.     

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.     

不等温下螺旋槽干气密封端面压力分布计算

以干气密封无限窄槽理论为基础,提出了不等温假设条件修正算法.利用机械密封端面温度分布近似算法求解干气密封端面温度分布函数,与液体介质情况不同的是,对于空气,其热传导角根据经验取为液体的3倍.为了更方便地求解Gabriel算法中的微分方程,采用线性曲线拟合方法获得与前面求得的温度分布函数近似的密封端面温径关系曲线T(r).将T(r)代入Gab-riel算法中代替原来的温度常量T,从而得到非等温条件下的螺旋槽干气密封端面压力分布微分方程.采用4阶龙格库塔法求解该微分方程,得到沿半径方向的端面压力分布.通过与文献结果对比发现,当膜厚分别为5.08,3.05,2.03μm时,采用非等温条件修正后的算法所得槽根处压力pg比原算法提高了6.8%,5.0%,2.7%.计算结果较好地反映了干气密封端面压力分布槽根处最高、外半径处次之、内半径处最小之一般规律.与有限元法相比,该算法应用更为便捷.     

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.     

边界滑移对螺旋槽上游泵送机械密封性能的影响

为了研究边界滑移对上游泵送机械密封性能的影响,建立液膜三维几何模型和计算模型,基于 Navier 线性滑移模型对液膜壁面边界条件进行修正,采用商用软件 Fluent 的 SIMPLEC 算法及层流模型求解三维 Navier －Stokes 方程,并分析相对滑移量对液膜静压分布、开启力、摩擦扭矩、泄漏量的影响规律。结果表明：相对于边界滑移发生的位置,滑移速度的大小对密封性能的影响更大;当相对滑移量较小时,存在边界滑移与无滑移的模拟结果无明显区别,能很好地解释宏观无滑移边界假设的应用,当相对滑移量较大时液膜动压效应随滑移的增加而减弱,开启力、摩擦扭矩、泄漏量都随边界滑移的增加而减小;相对于开启力的降低,边界滑移的减阻和降低泄漏的效果更为明显;当开启力较小,应避免边界滑移发生;当开启力足够大时,加工成超疏水表面形成边界滑移,可极大地减少摩擦扭矩,降低能耗。     

螺旋槽干气密封端面气膜的热力过程

针对螺旋槽干气密封,仅考虑气体沿密封面流动经历压缩与膨胀的热力过程.利用萨特兰黏-温方程和气体过程方程表征气体黏度与压力的关系,将该方程代入Muijderman建立的螺旋槽流体膜压力控制方程,得到考虑多变指数m影响的端面气膜压力控制方程,对该方程求解获得气膜温度沿密封端面的变化规律.结果表明,随着m的增大,相应位置的气膜压力降低,但降低幅度不大.随着气体从外径流到内径,气膜温度沿密封环半径方向的分布规律反应出气膜的压缩膨胀特征.气体受到压缩时,气膜温度高于边界温度To,且m越大,温度越高;气体得到膨胀时,温度逐渐降低,且m越大,温度下降越迅速.     

多相混输泵内气液两相流动的压力脉动特性

为了探究含气率对多相混输泵内部流场结构和压力脉动特性的影响规律,基于Standard k-ε湍流模型,应用计算流体动力学软件ANSYS CFX在进口含气率IGVF分别为5%,10%和15%时对多相混输泵内流场和压力脉动特性进行数值计算,进而分析和归纳多相混输泵内部流场结构、频域和压力脉动系数随含气率的变化规律.结果表明:含气率在超过一定范围时会削弱混输泵内的压力脉动,同时主频幅值对压力脉动的影响较大;在气液两相下动静干涉作用仍是引起混输泵内压力脉动的主要因素,与此同时叶轮和导叶内的主频分别是11倍和3倍转频,并且最大主频幅值和压力脉动系数均出现在动静交接面附近.该研究结果可为多相混输泵的结构优化、水力设计和疲劳分析提供一定参考.     

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.     

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.     

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.     

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℃．     

低扬程泵装置压力脉动特性

初步分析了低扬程泵及泵装置压力脉动的基本规律. 基于浙江姚江上游西排工程排涝泵站立式泵装置不同叶片角度和不同流量时的压力脉动特性模型试验结果,研究泵装置的叶轮室进口、叶轮室出口、导叶体出口和出水流道出口处的压力脉动规律. 从叶轮与导叶之间的水流条件、水泵运行工况等方面,对低扬程泵装置压力脉动进行了初步理论分析,提出了导叶体与叶轮间隙的大小、导叶体的叶片数对低扬程泵装置压力脉动特性的影响等需进一步研究的问题. 从水力因素和水泵制造等方面提出了避免低扬程泵装置压力脉动有害影响的对策:适当加大叶轮与导叶之间的间隙,避免水泵在偏离最优工况较多的条件下运行,提高水泵抗空化性能等;从避免产生共振的角度,提出适当加大叶轮叶片厚度、导叶叶片厚度和加强水泵的结构设计等措施.