浸锑石墨与无压烧结SiC和3D打印SiC密封材料配对副的摩擦磨损特性研究

为研究干气密封用密封材料的摩擦学特性,采用销盘旋转试验台研究3种浸锑石墨在干摩擦条件下分别与无压烧结SiC和3D打印SiC配对时的摩擦磨损特性,探讨了速度、载荷对密封材料摩擦磨损特性的影响,揭示了配对副材料表面的磨损机理。结果表明:随着载荷p与速度v的乘积(pv值)的增大,摩擦因数和磨损率均呈现逐渐减小趋势;在pv值较小时磨损机理为严重的磨粒磨损和轻微的黏着磨损,在pv值较高时磨损主要发生在碳化硅摩擦表面黏附的石墨转移层间,磨损机理主要表现为黏着磨损;在研究pv值变化对浸锑石墨与SiC密封材料配对副摩擦磨损特性的影响时,首选定载荷变速度试验方法。

分子动力学模拟预测天然气密度和黏度的可行性研究

天然气作为相对清洁、低碳的能源,在我国的一次能源消费占比持续增长,其物性的精准预测对天然气集输利用过程分析至关重要。通过收集文献中天然气在不同温度和压力下的物性实测数据,对比分析了分子动力学模拟和常用经验模型计算天然气密度和黏度的预测精度,明确了不同组成天然气适用的最佳物性预测模型。结果表明,分子动力学模拟在预测天然气黏度方面具有较强的适用性,尤其是在高温高压条件下,当温度为444.4 K时,平均相对误差小于5%;天然气密度则采用现有相对成熟的经验模型更合适,而采用分子动力学模拟方法的几种力场模型预测其精度均不高;天然气密度和黏度预测模型的预测精度,不仅受温度和压力范围的影响,还与天然气组成有关。

泵出型螺旋槽油气密封泄漏特性及参数影响研究

以泵出型螺旋槽油气密封为研究对象,基于油相和气相连续性方程推导并建立了油气密封流场求解的双相雷诺模型,采用有限体积法离散和编程求解获得了油气密封介质流场分布,对比分析了商用软件VOF模型、单相雷诺模型和双相雷诺模型在求解油气密封流场中的计算精度和效率,研究了密封间隙、油气比、转速、介质压力等运行参数和密封环尺寸对油气密封流场和稳态性能的影响,重点探讨了油气密封近零泄漏特性及其关键影响因素。结果表明,提出的双相雷诺模型求解方法是一种高精度、高效率的油气密封流场数值模拟方法,具有与商用软件VOF模型近似的精度,但计算时间降低1个数量级;油气密封的介质泄漏特性和近零泄漏压差主要受到密封间隙、转速和端面宽度的影响,通过上述参数的合理取值有望实现油气介质的零泄漏。

超临界二氧化碳动静压干气密封稳态性能和加热模式对比研究

为提高现有超临界二氧化碳(S-CO_(2))动压型干气密封的气膜刚度和降低因密封进气管路上设置加热器而增加的额外功耗,提出一种基于静环背部环体加热的S-CO_(2)动静压型干气密封新结构。基于共轭热传递模型,采用商用软件Fluent求解密封压力场和温度场,对比分析了S-CO_(2)动压型、静压型和动静压型干气密封的稳态性能和流场分布,探讨了不同加热模式和热源温度下S-CO_(2)动静压型干气密封的流动传热特性和功率消耗。结果表明:在给定参数下,相较于动压型干气密封,动静压型干气密封的气膜刚度增加到2倍以上,不过泄漏率也增加了35%;相较于直接气体加热模式,环体加热模式下的加热功耗降低44%,密封运行经济性更好。这为S-CO_(2)发电系统压缩机端干气密封的结构设计和辅助系统改进提供了新的思路。

氢冷汽轮发电机浮动环密封瓦结构创新设计研究进展

浮动环密封瓦是氢冷汽轮发电机的轴端关键密封件,提高其浮动性可有效降低耗氢量和提高发电机运行可靠性。综述氢冷发电机轴端密封发展历程中的3种典型产品:盘式密封瓦、环式密封瓦和以分段碳环密封为代表的先进浮动环式密封,简述各种浮动环密封瓦的结构特点和工作原理,分析密封瓦浮动性和氢气耗量的关键影响因素,重点探讨围绕以降低耗氢量、提高浮动性为目标的各类密封瓦结构和密封油系统创新设计方案及适用条件,为氢冷汽轮发电机轴端密封的技术研究和工程应用提供参考。

动压型分段式圆周密封变形特性及其调控策略研究

在流固耦合作用下,分段式圆周密封的变形特性和密封间隙形状是影响密封运行稳定性和可靠性的关键.通过建立动压型分段式圆周密封的流固耦合模型,研究了密封间隙的流场特性和结构变形规律,采用正交试验设计分析了影响密封变形的主要力学参数,包括密封压差、周向弹簧初始载荷和刚度、轴向弹簧初始载荷和刚度,并探讨了接头形状、接头间隙及辅助密封面槽型对密封环的变形调控效果.结果表明:在流体压力和弹簧力的共同作用下,变形后单段密封环的主密封面径向间隙沿周向呈现中间大两端小、沿轴向泄漏方向呈单调递减的变化趋势;力学参数中密封压差对密封环的变形影响最为显著,其次为周向弹簧初始载荷,最小为周向弹簧刚度;通过合理的接头形状和辅助密封面槽型的设计有望显著改善密封环的变形特性,获得分布更为均匀的主密封面径向间隙.

宽速域三种典型型槽油气密封泄漏与成膜特性对比研究

如何实现涡轮增压器气膜密封在低速状态的低漏油和高速状态的低窜气、高刚度是其设计的关键问题。以泵出型螺旋槽、八字复合型槽和雷列台阶复合型槽油气密封作为研究对象,基于双相雷诺模型数值求解了三种型槽油气密封的流场分布,测试了不同工况下气膜密封的气膜厚度和介质泄漏,对比研究了宽速域范围内三种型槽油气密封的泄漏和成膜特性,重点分析了槽深、螺旋角和泵出槽长比等关键结构参数对八字复合型槽油气密封泄漏和成膜特性的影响规律。结果表明:泵出型螺旋槽密封因具有最小的漏油量可作为低速状态的优选方案,八字复合型槽密封因具有显著更低的窜气量和更大的气膜刚度可作为高速状态的优选方案,不过这依赖其槽深、螺旋角和泵出槽长比的合理设计;在一定的工况和结构参数时,复合型槽密封有望在端面形成明显的油气径向分界面,从而实现油气近零泄漏。

交变工况下深海装备机械密封端面温升和磨损特性

为了研究深海复杂恶劣工况对深海涉水装备动力装置的影响,以深海推进器用接触式机械密封为研究对象,建立其二维轴对称有限元模型,探究了交变工况对密封端面温升的影响;在自行搭建的试验台上进行了机械密封拟实工况试验,监测了端面温升情况,测量并分析了端面形貌及磨损特性.结果表明:交变工况对密封环温度场有显著影响,且端面温升呈现明显的交变瞬态特性;交变工况试验后动环端面粗糙度显著增大,工况瞬变使得端面接触状态不稳定,端面发生磨粒磨损,出现明显的凹坑和深浅不一且密集分布的犁沟;交变转速较交变介质压力对端面温升及磨损的影响程度更大.数值模拟与试验结果趋势吻合良好,为深海推进器机械密封结构设计提供必要的理论指导及试验依据.

仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型

为改善单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题,提出一种仿鸟翼微列螺旋槽端面干气密封结构.基于气体润滑理论,建立仿鸟翼微列螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值分析周向开槽宽度和径向开槽宽度对轴向气膜刚度和泄漏率等密封特性参数的影响规律,给出仿鸟翼微列螺旋槽主要结构参数的优选值范围.在不同压力、线速度和膜厚条件下对比分析仿鸟翼微列螺旋槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的开启力、轴向气膜刚度、泄漏率和刚漏比等密封特性,给出不同工况条件下两种型槽干气密封的密封性能等值线图.结果表明:在高速低压条件下,相较于单向螺旋槽干气密封,仿鸟翼微列螺旋槽干气密封的密封性和稳定性都有显著提升,其轴向气膜刚度增幅达到30%,泄漏率降幅达到10%.仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能等值线图的提出可为其工程选型及优化设计提供指导和借鉴.

干气密封螺旋槽几何参数优选交互影响

为解决干气密封(DGS)端面型槽优化中未考虑型槽几何参数之间对目标函数交互影响而导致几何参数优化结果不准确的问题,研究了不同速度条件下DGS螺旋槽中其他几何参数对某一几何参数优选值的交互影响。基于气体润滑理论,建立了螺旋槽DGS的几何模型和数学模型,数值求解获得端面膜压分布和稳态性能参数,定义了综合表征螺旋槽几何结构的特征参数。以气膜刚度最大为优选目标,获得了不同速度条件下DGS螺旋槽中某一几何参数优选值随其他几何参数的变化规律。结果表明:DGS螺旋槽各几何参数两两之间呈现出复杂的交互影响关系,不过总体符合趋向于降低槽内实际通流面积、槽长宽比和槽长深比3个综合参数变化幅值的原则;与单因素优化方法相比,在给定算例参数条件下所提出的考虑几何参数交互影响的优化方法所获得气膜刚度最优值提高11.4%。

基于多变量摄动的超临界CO_(2)干气密封动态特性

超临界CO_(2)压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO_(2)和N_(2)干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO_(2)干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明:高频下超临界CO_(2)干气密封的刚度和阻尼系数较N2干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。

仿生集束螺旋槽干式气体密封特性的数值分析

基于耦合仿生学原理,提出一种仿生集束螺旋槽端面干气密封结构以解决普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题。基于气体润滑理论,建立仿生集束螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值模拟分析槽宽比、螺旋角、微槽数及阶梯槽深比对动压开启力增长率、轴向气膜刚度、角向气膜刚度和刚漏比等密封特性参数的影响规律,给出仿生集束螺旋槽主要结构参数的优选值范围。结果表明:在高速低压条件下,相比于普通单向螺旋槽干气密封,仿生集束螺旋槽干气密封的密封性和稳定性等密封性能都有显著改善,其动压开启力增长率、轴向气膜刚度和刚漏比的增幅均超过20%。结果证明基于飞鸟翼翅的端面型槽仿生设计可以显著改善普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下的运行稳定性,为相关工程选型与开发设计提供参考。

干气密封螺旋槽衍生结构演变规律与工况适用性

研究了高压低速和高速低压两种典型工况条件下干气密封(DGS)螺旋槽的衍生结构演变规律与工况适用性.基于气体润滑理论,建立了槽堰组合螺旋槽DGS数学模型,采用有限差分法求解稳态雷诺方程.基于完全析因设计方法,数值计算了不同槽堰组合螺旋槽DGS的稳态密封性能随开槽面积比的变化规律,对比分析了槽堰组合螺旋槽DGS与螺旋槽DGS的密封性能最优值,并提出了不同工况条件下进一步提高螺旋槽DGS气膜刚度的结构改型方向.结果表明:通过基体螺旋槽与附加密封堰的组合设计有望显著提高螺旋槽DGS的气膜刚度,其中在高速低压条件下附加密封堰设在上游侧中间的双流通槽DGS的气膜刚度增幅达到20%;存在不同的最佳开槽面积比使得槽堰组合螺旋槽获得最大的开启力和气膜刚度.

端面型槽广义对数螺旋线的通用模型与应用

为解决流体润滑端面型槽设计中经典型线形状优化受限的问题,提出一种广义对数螺旋线模型,获得了斜直线、圆弧线、抛物线和椭圆曲线等经典几何型线的广义螺旋线表达式,掌握了不同参数条件下广义对数螺旋线的几何共性及演变规律。以气体推力轴承为例,对比分析了高速条件下广义螺旋角的分布规律和变化幅值对推力轴承承载性能的影响规律,结果表明:广义对数螺旋线具有很强的几何表征能力,从外径至内径侧流道渐扩的广义对数螺旋槽端面具有最大的气膜承载力。

中低压干气密封螺旋槽结构参数优化

基于完全析因设计方法，开展中低压干气密封端面螺旋槽几何结构参数优化。基于气体润滑理论，对中低压条件下螺旋槽干气密封的动压开启力增长率、气膜刚度和刚漏比等密封特性参数进行分析，获得了中压和低压条件下螺旋槽几何结构参数的优选值范围，提出“螺旋槽干气密封特性参数优化带”。结果表明：特性参数优化带能较好地反映螺旋槽干气密封在不同压缩数下的最优性能水平；在中低压高速条件下，当螺旋角β=10°～25°，槽深hg=5～10μm时能获得较优的密封性能；当槽坝比αg=1.5～4.0，槽长宽比λ=2～8时能获得较好的动压效应和轴向气膜稳定性；当槽坝比αg=0.7～1.5，槽长宽比λ=2～5时能获得较好的综合密封性能。

螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究

基于气体润滑理论,并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程,在高速高压条件下分析了螺旋槽结构参数对气膜动态特性系数的影响规律;基于动力学相关知识,在考虑动环轴向振动和角向偏摆的情况下建立了挠性安装静环运动方程,分析了膜厚的扰动行为,同时在考虑轴向和角向气膜扰动的共同作用下,提出以端面膜厚最大扰动量峰值和扰动稳定时间作为表征密封动态追随性的参数,并以此作为目标函数对螺旋槽结构参数进行优化.结果表明：在不同的高压条件下,当槽台宽比κ取0.9～1.5,槽坝比δ取1.8～2.4,螺旋角φ取18～24°,槽深h_g取6～8μm时,螺旋槽干气密封具有较好的动态追随性;在动态特性系数中主动态刚度对密封动态追随性的影响最大.

汽液两相流机械密封的研究进展

液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式,且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中,实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变,由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象,甚至完全失效,严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行,因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义.本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状,归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径,阐述了机械密封的相变原理,总结了端面流体膜参数的测量技术与方法;在试验研究方面,提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关,其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注,但缺少关于端面形貌或织构的深度研究,也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究;在理论研究方面,提出了机械密封相变稳定性判据,以及间断沸腾模型、连续沸腾模型和薄膜均相沸腾模型等3种理论模型,比较了3种模型的优缺点并指出其适用范围.指出建立合理的相变理论模型,实现相变密封的稳定运行,突破相变密封监控关键技术,构建智能型液体润滑机械密封是未来两相流机械密封的研究重点.

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明:在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。

高速涡轮泵机械密封端面温度变化规律研究

以高速涡轮泵用机械密封为研究对象,以15~#液压油为试验介质,考虑循环冷却量、转速、介质压力以及不同摩擦副配对等因素,采用自行搭建的高速密封试验台开展端面温度变化规律的研究.结果表明:对于高速机械密封,上述因素均对端面温度产生影响,其中转速对端面温度的影响基本成线性关系,循环冷却量对端面温度的影响存在一个阈值,建议实际设计时取阈值的120%,介质压力对端面温度产生影响较大,但是影响程度不如转速;以尽可能获得低的端面温度值来判断,用作静环时浸渍树脂石墨比普通石墨合适,用作动环时碳化硅比钼合金合适.

干式气体密封端面型槽仿生设计的相关性

基于统计学原理和气体润滑理论,建立飞鸟翼翅外形结构特征与干式气体密封端面型槽特征两者的相关性数学模型,建立干式气体密封端面膜压控制方程;基于模糊数学知识提出界定端面型槽几何结构特征的隶属度参数及其计算表达式,并依据隶属度参数对干式气体密封进行分类;采用有限差分法求解密封端面膜压控制方程,获得了端面气膜刚度,对比分析飞鸟翼翅长短和宽窄与飞行速度之间的相关性及端面型槽长短和宽窄与不同运行转速下干式气体密封运行稳定性的相关性。结果表明:表征端面型槽或飞鸟翼翅的长短和宽窄程度与其运行或飞行速度之间呈中度正相关关系,即长翼翅的鸟类具有较好飞行稳定性,而细长翼翅的飞鸟具有更佳的高速飞行稳定性;相应地,长槽端面干式气体密封具有良好的运行稳定性,而细长槽则具有更好的高速运行稳定性。结果揭示了飞鸟生物模型和干式气体密封工程模型之间的相互关联规律,证明基于飞鸟翼翅外形结构特征的端面型槽仿生设计的可行性,为密封的仿生设计提供重要理论依据。