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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

密封唇部微观纹理方向对油封密封性能的影响

基于旋转轴密封的泵送机理,综合考虑密封唇表面三角形纹理方向的影响,建立了油封密封区域的数值计算模型,模型耦合了关于温度求解的能量守恒方程.通过迭代求解数值方程,得到唇表面三角形纹理不同方向(以三角形的重心为旋转中心,分别向右旋转0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°)时油封的泵汲率、油膜...     

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.     

激光表面跨尺度织构化机械密封摩擦性能

采用声光调Q的半导体泵浦Nd：YAG激光器,利用＂单脉冲同点间隔多次＂激光加工工艺在碳化硅机械密封环端面进行跨尺度织构化处理,制备微凹坑织构和宏观上游泵送槽织构,用表面形貌三维测量仪测量激光加工后的试样.在机械密封计算机辅助试验台上,进行了激光表面跨尺度织构机械密封与无织构机械密封的摩擦性能对比试验,研究了跨尺度表面织构在不同的密封介质压力和转速等工况下对机械密封摩擦转矩的影响.结果表明：激光表面织构化技术能在密封环表面进行微凹坑型及微凹槽型织构的跨尺度加工.在试验的工况参数范围内,无论是在低压低速,还是在高压高速工况下,激光表面跨尺度织构均可以显著地改善机械密封的摩擦性能.与无织构机械密封相比,激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩最大可减小65%,并且运转相对较为稳定,受密封介质压力和转速的影响相对较小,这是由于所制备的跨尺度表面织构起到了改善密封端面间润滑状况的作用.     

基于CFD的双螺杆膨胀机瞬态特性

为研究双螺杆膨胀机的瞬态特性,以4/6齿双螺杆空气膨胀机模型为研究对象,使用SCORG和Pumplinx软件对膨胀机内部流体域以及进出口处流体域进行静止网格和动网格的划分.采用CFD分析方法对膨胀机进行全流场瞬态数值模拟,得到双螺杆膨胀机内部的压力场和速度场以及不同转角下流量、扭矩和转子的受力情况. 结果表明:膨胀机内部流体域从进口高压端至出口低压端可区分为4个压力等级,且从进口端到出口端压力逐级递减,而阴、阳转子接触线将螺杆流域分为上高压区和下低压区;内泄漏主要包括径向间隙泄露、齿间间隙泄漏和泄漏三角形这3种泄露方式,三者中齿间间隙泄漏的速度最大.整个流场中的最高流速和最低压力均出现在接触线附近;吸气阶段的节流损失和预膨胀带来的压降损失使阳转子对外做功能力下降,并使螺杆膨胀机效率降低;流量、扭矩、径向力和轴向力呈周期性变化,阳转子所受径向力对螺杆膨胀机工作性能影响最大.     

机械密封性能测试技术研究进展

开展机械密封性能测试技术研究对提升机械密封性能测试装备技术水平,研发高性能机械密封产品具有重要意义.通过对过去几十年的端面摩擦扭矩、温度、膜压、膜厚、磨损量和泄漏量测试技术的总结与分析,指出了目前机械密封性能测试技术发展的瓶颈,提出了开发新型微型面力传感器、无线扭矩传感器供电装置、非接触式红外探测端面温度技术以及B型超声成像在线磨损量测量技术是今后一段时期机械密封性能测试技术发展的方向.