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.     

螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜压力脉动特性

为分析上游泵送机械密封微间隙内流场的动静干扰作用和压力脉动特性,以螺旋槽非接触式机械密封为例,运用滑移网格技术,对内部流场进行了多工况非定常数值模拟.分别计算了稳态和瞬态的模型内部压力速度分布,以及不同转速下的压力脉动时域变化和频谱特性,并与试验结果进行对比分析.研究结果表明:所用模拟方法可对内流场非定常特性进行较好描述,由于动静干涉的影响,各转速下机械密封流场内压力脉动呈明显的周期性变化规律;压力脉动是非定常流动现象的重要特征,主要受槽频和轴频的影响.     

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．     

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.     

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。     

基于CFD螺旋槽干气密封端面流场分析

应用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面微尺度三维流场气膜进行建模,并运用Fluent软件对三维流场模型以层流流动形式进行数值模拟计算.在特定工况下,根据计算所得端面流场产生的动压效果和径向流速,确定使端面气膜推力（即开启力）和泄漏量同时达到最优时的气膜厚度;在确定的气膜厚度下,即分别为3.5,4.5,5.5μm时进行数值模拟计算,通过改变压力和转速,研究不同压力和转速对端面泄漏量和功耗的影响.结果表明：当气膜厚度在3～6μm时,产生较好的动压效果和较小的径向出口流速;当气膜厚度取为3.5μm时,端面总体效果达到最好,即产生动压效果最好,出口径向流速最小;当气膜厚度和压力确定时,泄漏量和功耗随着转速的增大而增大,且成线性关系;当气膜厚度和转速确定时,泄漏量和功耗随着压力的增大而增大,也成线性关系.     

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.     

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.     

基于最优传质系数的槽型结构参数对液膜机械密封汽化特性影响研究

笔者围绕不同槽型结构参数对液膜机械密封汽化特性的影响展开研究,综合应用最优传质系数和遗传算法,最终得到最优螺旋槽槽深、槽堰比、槽径比、螺旋角范围。     

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.     

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.     

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.     

干气密封螺旋槽内润滑气膜的热力过程

基于滑移边界条件下的雷诺方程,不考虑密封环的变形,通过PH线性化方法、迭代法求解获得了气膜压力函数式.根据气膜微尺度流体流动过程中的熵变方程,得到了螺旋槽内气膜温度场分布.考虑微槽道内气流在不同阶段的熵变过程,分析了气膜温度场在不同多变指数下的分布规律,进而在不同多变指数下计算出密封环的热弹变形量及气膜厚度近似表达式,利用广义雷诺方程求解热弹变形下的气膜压力分布.在不同多变指数下对泄漏量进行计算并与无变形时的理论泄漏量进行比对.结果表明：随着气体从外径流入内径,槽内温度先升高后降低,密封环的变形量先增大后减小,泄漏量随变形量增大而变大,从而对密封性能产生影响.试验验证了泄漏量在采用不同多变指数时更接近于实际工况.这为螺旋槽干气密封的优化设计奠定了理论基础.