涡轮泵用不同槽型流体动压型机械密封运行特性对比研究

针对火箭发动机低温介质涡轮泵端面密封的泄漏突增问题,基于工程经验提出激光脸(槽深3、5μm)和螺旋槽3种槽型结构,并与原使用的雷列槽进行端面流场与密封性能对比分析,同时对4种槽型结构进行密封动态追随性比较分析。结果发现:低温介质下雷列槽端面密封流体动压较弱,影响端面开启的主要因素为流体介质静压力;在转速和压力增大的条件下雷列槽存在负动态刚度系数,角向的稳定性较差,存在泄漏风险;激光脸泄漏量较低且处于混合润滑状态,不会因密封端面脱开而引起密封动态不稳定;槽深5μm与槽深3μm激光脸相比有更大的开启力与较低的相变率,综合性能更优;螺旋槽结构动压效应较强,其开启力随转速和压力的线性变化都保障了密封环的追随性;螺旋槽结构具有较强变工况适应性,但泄漏量水平始终较高。

多相混输泵用超高压机械密封性能研究

针对超高压混输泵机械密封易磨损失效的问题,介绍了端面槽加工和涂层应用两种策略,用热流固耦合分析方法,分析了浅槽微接触式机械密封在实际应用中的温度分布和端面变形情况,阐述了表面涂层技术的应用,进行了一系列机械密封性能的试验研究。研究结果不仅证实了这些技术在提高机械密封寿命和可靠性方面的有效性,还证实了端面开槽和涂层技术在降低摩擦、改善耐磨性能方面的显著效果。为超高压混输泵机械密封系统的设计和优化提供了重要的理论依据及实践指导。

多工况机械密封性能实验装置及测控系统设计

建立了一套在不同压力、转速、温度条件下对机械密封性能进行实验研究的装置,其密封介质或隔离流体可为水、油、空气和气水混合物等,其主轴转速、介质或隔离流体压力、流量等参数可通过计算机调节。该实验台可对多种型式机械密封的密封性能进行实验研究,可对机械密封性能参数,如功率消耗,端面温度、膜压和膜厚,磨损量等,进行自动采集、存储及处理。采用该实验台对螺旋槽下游泵送机械密封进行了测试,结果表明该实验装置可满足要求。

基于热流固耦合的液膜密封动态追随性分析

为研究热流固耦合下液膜密封动态追随特性,基于小扰动法及热动力润滑理论,考虑非补偿环轴向振动、角向偏摆,建立补偿环三自由度运动方程,对比并分析纯流场和热流固耦合模型下力学元件参数、操作工况参数、结构参数对动态追随性的影响。结果表明:在热流固耦合模型下求解的液膜密封扰动量略小于纯流场模型下求解的扰动量;增加激励振幅,弹簧刚度和O型圈阻尼均会导致扰动增大,动态追随性变差;减小转速、增加介质压力会导致动态特性系数增加,有利于提高动态追随性;减少槽数会提高动态追随性,且在槽数给定时,槽深17μm,槽坝比0.8,螺旋角22°的结构参数设定会得到更好的动态追随性。

考虑锥度及波度的螺旋槽液膜密封动态特性分析

密封端面因热力变形或机械加工产生的形貌变化显著影响密封性能。建立考虑径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封数学模型,利用偏导数法求解动态雷诺方程,并采用有限元法计算液膜密封开启力、刚度、动态刚度及阻尼系数,进而分析了径向锥度及周向波度对液膜密封稳、动态特性的影响。结果表明:液膜密封开启力随着锥度的增加逐渐减小,随着波幅的增加逐渐变大,同一波幅下,波数增多,开启力减小;液膜刚度随着锥度的增加逐渐减小,且波数不同时随波幅的变化趋势不同;液膜动态刚度系数绝对值随锥度的增加逐渐减小,轴向刚度系数和角向刚度系数受波度的影响比较明显;液膜动态阻尼系数随锥度的增加逐渐减小,随波幅的增加逐渐变大。

波度和锥度对液体润滑机械密封空化特性影响

为进一步探究机械密封液膜中空穴初生、演变等影响因素,基于质量守恒空化模型,建立考虑微观波度和锥度的液体润滑机械密封数学模型,采用有限控制体积法对控制方程进行离散,综合分析不同波幅、波数及锥度对空化特性的影响。结果表明:波度产生流体动压润滑效应,锥度产生流体静压润滑效应,两者共同影响空穴的初生和演变,而又影响空穴沿周向和径向的变化;空穴初生时,液膜破裂位置位于膜厚沿周向发散的低压区,且在空穴演变时其沿某一半径方向保持不变;量纲1波幅不超过0.5且波数不低于8或量纲1负锥度大于0.5的工况均可加快空化率,促进空化发生;而相同波幅且波数小于8或锥度趋向于正锥度的工况均可减缓空化率,有效抑制空化发生。

螺旋槽液膜密封端面空化发生机理

液膜中空化的发生直接影响着密封流体动压润滑性能,基于质量守恒的JFO边界条件,建立考虑表面粗糙度的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换成规则计算域,采用有限控制体积法离散控制方程并求解,分析了膜厚、表面粗糙度、螺旋槽功用(上游泵送和下游泵送)、螺旋槽开槽位置及空化压力对液膜中空化发生的影响。结果表明:较小膜厚工况易促生空穴,而较大膜厚易削弱空穴,且随着膜厚增大,表面粗糙度的影响降低甚至被忽略;当密封为上游泵送型时,空穴区周向宽度明显大于下游泵送型,而螺旋槽位置对空化的影响与螺旋槽功用密切相关;选取较小空化压力使空穴缩减,而较大者反之,且后者对提升液膜承载有利。

波度和锥度对机械密封稳态特性的影响

基于质量守恒控制方程,建立考虑周向波度和径向锥度的机械密封几何模型,采用有限差分法对控制方程进行离散,并通过高斯-赛德尔法进行迭代,得到端面间压力分布,并分析周向波度和径向锥度对泄漏量、开启力等密封性能参数的影响。结果表明:端面波数的变化对开启力、泄漏量及摩擦扭矩的影响较小;端面波幅值的增加使得端面的开启力、泄漏量和摩擦扭矩同时增大;锥度的增大导致开启力和泄漏量的增加,且锥度正向增加有利于改善液膜的承载能力。

基于多物理场耦合的航空发动机燃油泵液膜密封仿真分析与试验

针对航空发动机燃油增压泵接触式机械密封润滑失效问题,通过多物理场耦合仿真和试验分析人字槽液膜密封用于燃油增压泵的可行性。基于考虑粗糙度的雷诺方程、能量方程和热传导方程建立液膜密封多物理场模型,分析密封温度特性、泄漏特性等关键性能参数,并针对人字槽液膜密封开展密封性能试验研究。结果表明:与平端面接触式机械密封相比,人字槽型密封端面平均温度降低约50℃,有利于密封运行稳定性的提高;试验运行过程中密封各处温度稳定,泄漏量为0,满足燃油增压泵对密封的性能要求。

石化装置泵用湿封API冲洗方案的具体选型与应用探讨

结合多年的设计选型和工程应用经验以及对API 682标准的研究,对常用的泵用湿封冲洗方案选型要点进行了归纳总结,主要有Plan 11、Plan 21、Plan 23、Plan 31、Plan 32、Plan 52、Plan 53A、Plan 53B、Plan54和Plan 62等。同时给出了一些成熟工程计算方法,诸如带泵送环的冲洗流量计算方法、Plan 53B压力计算方案、密封腔压力估算方法、水冷换热器面积选择方案等。进一步对石化装置中冲洗系统选型和使用易出现的问题提出了合理化解决方案,使之更好地为密封服务,有利于泵设备的长期稳定运行。

具有减摩抗磨和控漏功能的液膜机械密封结构设计探讨与应用研究

液膜机械密封能够实现降低或消除密封端面摩擦磨损和控制密封泄漏的双重目的,简要介绍了液膜机械密封原理,并根据原理将其归纳为非接触式液膜机械密封和微接触式液膜机械密封两大类。基于基本原理给出了强制引流、运动增压、空化抽吸和黏性反输等四大基本功能结构,对其进行了一一阐述,提出了实际应用中具体表面改形结构是基本功能结构组合应用的观点。根据上述观点设计出了一种经过了现场考核的端面结构型式,达到了减摩抗磨和控漏的双重预期效果,为液膜机械密封的研究、开发及推广应用提供了一些有益参考。

高压混相激光脸浅槽机械密封润滑状态转变特性及密封性能分析

以激光脸浅槽微接触式密封为研究对象,求解考虑混相介质特性和密封端面粗糙度效应的雷诺方程,通过分形接触理论求解微凸体接触力,利用不同微凸体接触状态下求解出的液膜承载系数对混相微接触式机械密封混合润滑状态进行分级,探究了压力及转速等工况条件和开槽形式对密封的润滑状态转变的影响规律.结果表明:混相微接触式机械密封混合润滑状态可分为弹性混合润滑状态、弹塑性混合润滑状态和塑性混合润滑状态3个级别;随着转速升高,液膜承载力不断增大,微凸体接触力逐渐趋向于0,密封环分开实现非接触,此时液膜承载系数为1;压差和槽深越大、混相介质气相容积比越高,矩形槽角度和周期数越小,临界转速越大,润滑状态更稳定,摩擦副分离越困难.

天然气长输管线压缩机干气密封的设计与应用

天然气管线压缩机干气密封具有轴径大、压力高、频繁启停等特点,国产化研制难度较大。介绍了国产化研制过程中的端面流场、摩擦副温度场及热力变形理论分析,关键结构设计与选材,性能测试试验程序与结果,现场应用等方面,研制的产品能够满足现场工况要求,达到了预期效果。同时给出了该类压缩机干气密封的结构型式、槽型数据、泄漏量标准、主要结构细节等关键信息,为其他管线压缩机干气密封的研制工作提供了一些参考。

基于柔性转子的液膜密封稳态性能研究

为了研究转子柔性状态下动力学特征对航空发动机附件机匣轴端液膜密封的影响,结合转子的振幅、弯曲角度和热流体动力润滑理论,建立了柔性转子-液膜密封稳态分析模型,探究柔性转子-液膜密封的成膜机理,研究偏心量、倾斜角度、结构参数和工况参数对液膜密封性能影响规律。结果表明:当动环发生偏心时,液膜压力分布呈现不均匀性,随着偏心量由0.1 mm增至0.5 mm时,密封泄漏量上升了11.84%;倾斜角度的增加在一定程度上可以减弱膜压不均匀性,但对密封性能的影响不明显,当倾斜角度从1×10^(-5) rad升至3×10^(-5) rad时,泄漏量仅增加2.1%;在工况参数不变时,适当减少螺旋槽数,并选取合适的螺旋角度,可以有效抑制泄漏现象;在相同的结构参数条件下,适当降低转速及压差可以有效降低泄漏量;基于柔性转子的液膜密封由于较大偏心量的存在,会导致密封性能下降,此外,高转速与大压差会进一步增加泄漏量,工程应用中可通过减少槽数,修改螺旋角度的方式抑制泄漏。研究可为液膜密封的优化设计提供理论依据。

基于SVD-AVMD的液膜密封声发射特征提取

将声发射技术应用于液膜密封端面状态监测时,声发射信号易受噪声影响、特征信号难以提取,为此提出一种基于奇异值分解和自适应变分模态分解(SVD-AVMD)的信号处理方法。该方法首先以奇异值分解消除信号中的随机强噪声影响,获取降噪信号,然后在不同模态数下对降噪信号作变分模态分解,并计算各模态分量与降噪信号之间的显著性水平,以显著性水平大于阈值作为分解的停止准则,最终达到获取最优模态分量的目的。结果表明:SVD-AVMD对各模态分量中心频率的捕捉能力以及对各模态分量的恢复效果均明显优于单纯的变分模态分解,能够滤除背景噪声的同时最大程度地保留有效信息;获得表征液膜密封端面状态的声发射信号,实现了对液膜密封端面状态的识别。

考虑惯性效应的超临界二氧化碳干气密封动态特性研究

为了分析惯性效应对超临界二氧化碳干气密封动态性特性的影响规律,建立考虑惯性效应的变黏度变密度螺旋槽干气密封动态特性数学模型,采用有限差分法和小扰动法求解超临界二氧化碳干气密封动态特性参数,分析操作工况远离及靠近临界点时,超临界二氧化碳干气密封动态特性变化规律及惯性效应对其影响程度。结果表明:无论操作工况是否靠近临界点,动态特性系数都随压力的增大而增大,动态刚度系数随转速的增大而增大;动态阻尼在近临界点随转速的增大而增大,远离临界点则相反;考虑惯性效应时的动态特性系数比不考虑惯性效应时的偏低;操作工况近临界点时,惯性效应不可忽略,远离临界点时,惯性效应可忽略不计。

基于无限窄槽理论的双向多重组合螺旋槽液膜密封流场分析

基于无限窄槽理论推导螺旋槽液膜润滑非接触式机械密封压力分布公式,并校正螺旋槽进出口处的边缘影响系数;计算表征液膜密封性能的承载力、泄漏量、摩擦扭矩等参数,并进行验证;根据双向组合螺旋槽液膜密封的特点,提出基于权重叠加的流场计算方法,并以交错槽为例进行计算,并与Fluent模拟结果进行对比。结果表明:提出的边缘影响系数计算方法更为合理;利用叠加法计算双向组合槽流场得到的结果与Fluent模拟结果的误差在工程允许范围内,验证该方法的可行性,为工程设计与分析提供了可靠的计算方法。

接触式机械密封稳态摩擦特性研究

接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态,其端面间隙与表面粗糙度处于同一数量级。为探究混合润滑状态下接触式机械密封的摩擦磨损特性,分析端面温度和摩擦扭矩等性能参数受工况参数的影响规律,结合平均雷诺方程以及ZMC接触模型,求解混合润滑端面间的接触特性,建立混合润滑磨损模型,研究接触式机械密封在润滑条件下,摩擦特性参数随操作参数的变化规律,开展了相应的试验研究,并对理论分析结果进行验证。研究结果表明:随介质压力增加,微凸体接触力占比增加,通过改变端面间接触状态来改变摩擦状态;随转速增加,端面间接触状态不变,但转速加大了端面间磨损距离与温度,进而导致磨损加剧;在压力影响试验中,密封环温度和密封腔温度随压力变化成正比,且每次压力变化都使得密封环温度产生阶跃变化。所得结论对机械密封因过热和磨损导致的失效现象分析具有一定的理论指导意义。

接触式机械密封启停过程摩擦特性实验研究

为探讨接触式机械密封启停过程摩擦状态的转变特性,采用自主研发的摩擦磨损实验装置,对碳石墨-碳化硅配副材料的摩擦特性进行实验研究。通过采集启停过程中的声发射信号以及摩擦扭矩数据,分析二者之间的关联性,研究启停过程中端面摩擦状态的转变特性。结果表明:在启停阶段,声发射信号均方根值与摩擦扭矩值变化趋势相同,均为先增大后减小,最后再增大至一稳定值,二者具有很强的相关性;研究的配副材料在7 s左右出现声发射信号峰值,表明此时发生从干摩擦状态到混合摩擦状态的转变;稳定阶段的声发射信号以及摩擦扭矩值分别与转速、压力呈正比关系。

基于类解析法的螺旋槽干气密封性能分析及软件开发

依据螺旋槽窄槽理论,采用类解析法设计了一款干气密封(DGS)计算软件,具备操作性强、界面友好、使用方便等特点。以我公司某型号干气密封为对象,通过实验测量了工况条件下的密封泄漏量,并分别利用Fluent软件和DGS计算软件求取了密封性能参数,包括泄漏量、开启力、摩擦功率、气膜刚度等。通过对比三种研究方法下的参数值,表明DGS计算软件具有良好的准确性,可用于指导干气密封工程设计。