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.     

机械密封变形计算方法综述

介绍数值分析方法在机械密封变形计算研究中的应用及国内外研究现状。综合国内外在机械密封性能理论研究的新成果,从结构静态分析、热—结构耦合分析两个角度介绍了常用的研究方法,比较了其优缺点,指出解析法是机械密封计算方法中较为精确的一种,但只适合密封截面为简单形状的情况。经验公式法虽可满足工程实际的需要,但无法给出机械密封变形与温度间的定量关系。有限元法是当今较好地使用计算机研究机械密封变形的方法,使用热—结构耦合稳态分析的理论可以根据端面的受力计算摩擦热并将热载荷施加在模型上,实现了结构分析与热分析结果的同时运算。有限元法作为较为有效的变形分析方法发展潜力很大。     

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.     

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.     

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℃．     

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.     

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。     

多孔扇形分布端面机械密封的结构优化

以微型多孔扇形分布光滑端面机械密封为对象,建立了表征密封端面运行状态的物理方程,并采用有限单元法求解了端面流体膜压力的控制方程,即二维稳态Reynolds方程;给出了流体膜刚度、端面开启力、泄漏率和流体膜刚漏比等主要密封性能参数的计算表达式;在给定操作参数条件下,分析研究了这些密封性能参数受微型多孔端面扇形区的数量k,周向开孔比α与径向开孔比β,以及微孔半径rp与深径比ε等微孔几何参数影响的规律,提出了获得优良密封性能的几何参数优选原则和优选范围.结果表明,在给定操作参数和密封介质性质的条件下,扇形区块数和微孔径一定时,微孔深径比对机械密封性能的影响最明显,其次是周向开孔比和径向开孔比,且当ε=0.003~0.007,α=0.3~0.5,β=0.45~0.85时,多孔端面密封可获得最佳综合性能.     

机械密封的要求及故障处理措施

机械密封由动环、静环、压紧元件和密封元件组成,针对机械密封的零件的故障旋转设备在运行当中密封端面经常会出现磨损、热裂、变形、破损等情况,需要采取更换零件或是提高零件的机械加工精度等措施.     

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.     

接触式机械密封端面微凸体变形特性研究

依据分形理论,考虑摩擦作用的影响,分析了接触式机械密封摩擦副端面微凸体的变形特性;得到了端面微凸体临界弹性变形微接触面积和临界塑性变形微接触面积,端面间微凸体弹性接触面积、弹塑性接触面积、塑性接触面积以及弹性接触面积比的数学表达式．用数值仿真方法得出了GY70型机械密封摩擦副端面间的弹性接触面积比．研究表明,弹性接触面积比随着分形维数的增大先增大后减小,随着特征尺度系数的增大而减小,随着端面摩擦因数的增大而减小．对于机械密封摩擦副接触端面,存在一个最优的分形维数值,使得弹性接触面积比最大,摩擦副端面间的磨损最小．对于GY70型机械密封,其软质环端面最优分形维数在1．6左右．     

高温泵机械密封失效及改进探究

在实际操作中将工作温度超过150℃时使用的机械密封称为高温机械密封,高温的工作环境对使得端面液膜汽化、材料发生变质、加剧机械密封产生腐蚀作用、引起较大的热变形等问题,从而使高温泵机械密封失去效果。文章分析高温泵机械密封失效的基础上提出改进措施,望对此问题的解决有所助益。     

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.     

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.     

传动装置密封环热负荷评估与试验

应用数值计算和试验研究相结合的方法对车辆传动装置密封环的热负荷特性进行评估。根据传动装置涨圈型密封环的工作特点,确定了密封环传热规律,提出了密封表面摩擦热的计算方法,获得了传热过程的边界条件。模拟实际运行工况,采用热-结构耦合方法对密封环整体的温度分布、热应力、变形量,以及温度随工况的变化规律进行仿真计算。利用研制的动密封综合性能试验系统进行试验对比论证和相关研究。结果表明,所提出的热负荷评估方法使传热过程的模拟更加符合实际的工作状态,能准确有效地预估密封环在热负荷下的性能。     

新型深井离心泵轴向力的数值计算及平衡分析

在两种密封条件下,采用商用CFD软件Fluent 6.0对100SJB8型泵的多个模型作流场计算,得到两种条件下叶轮表面的压力分布,准确计算出叶轮所受轴向力。对100SJB8型泵,在端面密封完全关闭的情况下,轴向力由进口指向叶轮后盖,即沿着推开端面密封的方向;在端面密封有0.5 mm间隙的情况下,轴向力由后盖指向叶轮进口方向,即令端面密封闭合的方向,达到自平衡叶轮的要求。同时,通过多个模型计算的结果对陆伟刚等推导的SJB型泵的平衡判别式作了分析,结果表明判别式在大多数情况下与计算符合。     

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.     

内装式矿用隔爆多级潜水泵设计

介绍了一种内装式结构的矿用潜水泵的设计方法,分析了底座进水孔、泵盖高度、涡室流道及泵出水口位置对泵水力性能的影响,并优化了这些过流部件的设计;叶轮设置浮动密封环,减少了密封环的泄漏量,可提高泵的容积效率;主轴底端设置导轴承,可减少转子的径向跳动;油室内特殊设计了一种双端面机械密封,保证双端面机械密封摩擦副端面比压始终大于弹簧比压.BQW80-180-90型3级叶轮矿用潜水泵的试验结果表明：设置浮动密封环与导轴承后,泵的流量及扬程参数稳定,整机效率比MT/T 671-2005规定值高8%,与普通橡胶波纹管的双端面机械密封相比,新的密封更加可靠.研究表明：新设计的矿用潜水泵效率指标理想,泵故障率大大降低,可靠性良好.