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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

中温高黏度介质双端面主密封热力特性分析

为研究中温高黏度介质双端面机械密封主密封的传热和变形规律以及冲洗液的压力和温度对其影响,从而为密封性能改进和冲洗液的高效控制提供依据.以乳液输送设备双端面机械密封(AR201)为研究对象,建立传热计算模型,采用有限元法分析主密封温度场,研究了密封环温度和变形量随冲洗液压力和温度的变化规律.研究表明:密封环端面的最高温处于动静环接触面靠近密封腔位置处,在冲洗液的作用下,动静环内径侧温度明显低于外径侧,动静环温度自接触面开始沿轴向至环外侧逐渐降低;端面最高温度和最大变形量随冲洗液温度和压力的升高而增大,最大变形量的大小和随冲洗液参数变化的波动幅度与密封材料有关;合理选择冲洗液压力和温度是有效改善主密封性能的措施,对于AR201机械密封,将冲洗液压力控制在0.80~0.85 MPa和较低的温度能减少端面磨损现象.     

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.     

离心泵叶轮平衡腔内液体流动特性及圆盘损失分析

在离心泵0.8Qsp、Qsp、1.2Qsp流量工况点,外特性及平衡腔内流动特性数值计算结果与试验结果基本一致的基础上,研究平衡腔液体流场分布情况,绘制平衡腔内液体不同角度和半径无量纲圆周、径向分速度沿轴向分布曲线,分析平衡腔液体流动特性,计算平衡腔区域叶轮盖板外侧圆盘摩擦损失。结果表明:平衡腔液体流动存在核心区和两湍流边界层,主要流动特征为圆周剪切流与径向压差流。同一流量点,平衡腔流动核心区无量纲圆周分速度随半径的增大而减小,无量纲径向分速度近似为零,而湍流边界层液体受泄漏流影响较大,且不具有轴对称性。流量越小,同一角度和半径的平衡腔液体旋转角速度越小,平衡腔区域叶轮圆盘摩擦损失越大。泵内圆盘摩擦损失理论公式未考虑流量工况变化因素影响,且理论公式结果大于试验结果和数值计算结果。     

T型槽柱面气膜密封稳态性能数值计算研究

为了分析T型槽柱面气膜密封性能,建立了多种数值模型.采用CFD(Computational FluidDynamics)数值模拟对T型槽柱面气膜密封气膜刚度、浮升力和泄漏率的影响因素进行了研究.研究结果表明:泄漏率受平均气膜厚度影响非常显著,平均气膜厚度增大30μm,泄漏率增大4.5×10-4 kg/s,气膜偏心率次之...     

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.     

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.     

低比转数离心泵进口预旋的数值计算

为研究预旋对泵性能的影响,基于欧拉方程和斯托道拉方法,采用径向前置导叶实现预旋,以CFD软件Fluent为平台,以单级低比转数离心泵为研究对象,改变前置导叶几何参数设计3组方案,通过对3组前置导叶预旋方案进行数值模拟,从内部流场和外特性分析预旋对离心泵无过载性能的影响.结果表明：从内流场上看,预旋越强,导叶出口圆周速度越大.若不考虑边壁影响,圆周速度沿径向由内到外呈增大趋势,沿流动方向,圆周速度略有减小,与速度矩保持定理有一定的偏差.从外特性上看,通过增加预旋获得了陡降的H-Q曲线及平坦的P-Q曲线,并且效率在小流量到额定流量附近还略有提高,因此,通过预旋实现全扬程无过载是可行的.     

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.     

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.     

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.