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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.