超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

新工科背景下的《工程流体力学》课程思政教学探索

经济转型升级带来的新型工科人才需求,要求高校对新工科建设做出有效的应对。新工科建设的核心思想是立德树人,这与思政教育的目标不谋而合。工程流体力学作为高校工科类专业——过程装备与控制工程专业核心课的前置基础课程,对学生专业课的学习具有深远的影响,通过课程思政融入专业课教学,开展了在新工科背景下课程思政与工程流体力学如何有效结合产生最大化教学效果的探索。

气体黏度与温度和压力关系的拟合表达式

为了了解气体黏度对干气密封等气体润滑机构性能的影响,在高压条件下,气体黏度与气体温度和压力均有关系.文中以氮气作为研究对象,以AP1700物质物性平台数据库作为数据源,采用数学软件用最小二乘法拟合出黏-温、黏-压、黏-温-压3种关系式.将拟合关系式与美国国家标准与技术研究院(NIST)数据库、中国国家标准《热交换器》(GB/T 151—2014)附录中给出的气体黏度值、BOOSER编著的《摩擦数据手册》中提供的气体黏度计算值和Lucas经典方程计算数据进行对比.结果发现:文中拟合得到的关系式具有较高精确度,可以作为气体黏度与温度和压力变化规律的一种表达式,用于涉及黏-温、黏-压、黏-温-压的黏度计算.

干气密封动力学研究新进展

干气密封动力学是确保干气密封稳定运行的关键。从稳定运行阶段和非稳态运行阶段两方面,综述了国内外最近十年干气密封动力学的发展现状;归纳了影响干气密封动力学行为的主要因素,包括气膜及辅助密封圈的动态特性系数、挠性元件安装方式、密封端面碰摩特性、实验测试方法等;重点介绍了在稳定运行阶段考虑轴向和角向微扰单独作用或同时作用时,密封结构参数及操作参数对气膜动态特性系数的影响规律,挠性安装环的动态追随特性,振动稳定性,密封系统非线性动力学响应规律等的研究现状;分析了启停阶段和变工况阶段的非稳态动力学特性的研究进展;指出实际气体效应、热力耦合效应和阻塞流效应对干气密封动力学行为有重要影响,是未来需要关注的研究方向。

基于LabVIEW的重型板式给料机在线动态称重系统研究

重型板式给料机是进行物料输送的机械装置。为了能确保生产量,有效提高作业效率,设计了一种在输送物料的同时能测得物料重量的机械装置。本设计通过在给料机链板立柱上安装电阻应变片,采用全臂电桥进行温度补偿,测得桥式电阻应变片输出电压值。基于LabVIEW软件开发虚拟在线动态测量称重系统,实现全时段在线监测,并进行预警、报警及启、停机保护操作。

螺旋槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响

螺旋槽底表面粗糙度受加工水平的制约,目前的控制水平一般为0.8μm。为了研究螺旋槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响,将表面粗糙度近似等价于槽深的变化,采用近似解析法,分析不同槽深、不同膜厚下,表面粗糙度对干气密封端面开启力和泄漏率的影响。同时针对所研究的工况,对粗糙度为0.4μm和0.8μm时的端面开启力和泄漏率相对误差进行对比。结果表明:随着表面粗糙度的增大,其对端面开启力、泄漏率的影响增大,同时表面粗糙度对泄漏率的影响大于对端面开启力;槽底面表面粗糙度小于0.4μm时,表面粗糙度对泄漏率影响的相对误差在7%以内,端面开启力的相对误差在3%以内。

考虑氢气实际气体效应和阻塞流效应的螺旋槽干气密封动态特性分析

以Chen等提出的氢气实际气体状态方程描述氢气的实际气体行为,以气体出口速度达到音速作为产生阻塞效应的条件,确定出口压力边界条件,采用小扰动法分析了干气密封操作参数对螺旋槽干气密封动态特性的影响规律,并与理想气体、强制出口压力边界模型中的动态特性系数进行了对比。结果表明:研究高压螺旋槽干气密封的动态特性时应当考虑实际气体效应和阻塞流效应。两种效应使氢气螺旋槽干气密封的直接动态气膜刚度减小,使直接动态气膜阻尼增大。随着压缩数、进口压力的增大,两种效应对动态气膜刚度的影响逐渐增强。以频率比为变量时,两种效应主要影响气膜刚度,对气膜阻尼的影响作用较小。针对所研究的工况,与理想气体和强制压力出口边界条件相比,考虑实际气体效应和阻塞流效应,以压缩数为变量时,动态气膜阻尼(Czz、Cαα、Cαβ)的平均偏差分别为2.28%、1.93%、2.79%;以进口压力为变量时,3种气膜阻尼的平均偏差分别达到4.08%、2.07%、1.82%。

干气密封螺旋槽的激光加工工艺研究

干气密封环螺旋槽的加工质量对干气密封性能有非常显著的影响。为了获得较高的螺旋槽加工质量,并能对螺旋槽加工工艺提供有效指导,利用LM-20型光纤激光标刻机对干气密封常用的碳化硅(SiC)陶瓷材料和碳化钨(WC)硬质合金材料进行了螺旋槽激光加工工艺研究。分别考察了激光功率、扫描速度、填充间距、重复频率、标刻次数等工艺参数对螺旋槽深度h_g和底表面粗糙度R_a的影响;并选用激光功率、扫描速度、重复频率、标刻次数作为4个因素,分别取3个水平对WC的正交试验结果进行了分析。试验结果表明:加工工艺参数对螺旋槽深度h_g和底表面粗糙度R_a均有一定的影响,合理的工艺参数有助于提升螺旋槽的加工质量;SiC和WC材质密封环合理的工艺参数范围分别为:激光功率为8～10 W和12～14 W,扫描速度为600～1 000 mm/s和500～800 mm/s,填充间距均为0.01～0.014 mm,重复频率为50～60 kHz和20～30 kHz,标刻次数为4～6次和2～4次。正交试验结果显示:重复频率对槽深h_g的影响最为显著,其次为标刻次数、扫描速度和激光功率。扫描速度对底表面粗糙度R_a的影响最为显著,其余因素对底表面粗糙度R_a的影响较小。标刻次数与激光功率、激光功率与扫描速度、扫描速度与频率的交互作用均较弱,对槽底表面加工精度的影响不大。

机械密封流体动压槽加工工艺技术研究进展

综述流体动压槽加工工艺技术的研究进展,并评述各种加工技术在加工流体动压槽时存在的优缺点,包括光刻加工、电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工等;指出:光刻加工技术、电火花加工技术和激光加工技术加工流体动压槽是切实可行的,并已有成功案例,其中以激光加工技术应用得最为广泛,但其加工机制仍未得到深入研究;电解加工技术和超声波加工技术也具有加工流体动压槽的可行性;复合加工技术具有各种加工技术的优点,在流体动压槽加工方面具有更大的优势,是未来的一个发展方向;随着精密加工技术的不断发展,流体动压槽加工技术会朝着精确化、复杂化、高效化方向发展。

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明:与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能(泄漏率、开启力)的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3μm,转速为20000 r·min-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。

考虑密封环材料属性和表面形貌干气密封启停阶段的动态接触特性分析

干气密封启停阶段的端面接触是不可避免的,为了揭示端面发生接触时的力学特性以保证干气密封稳定运行,运用统计学接触理论和等效阻尼思想,考虑密封环材料属性,推导出适用于分析干气密封干摩擦界面法向动态接触刚度和动态接触阻尼的解析模型,并通过实验测得密封环真实表面形貌,确定了接触模型的初始参数。探究干气密封端面发生接触时动态接触刚度和接触阻尼等参数的变化规律。结果表明,动态接触刚度随接触比压、扰动振幅的增大而增大。扰动频率对动态接触刚度的作用效果远小于接触比压或振幅对接触刚度的作用效果。动态接触阻尼随接触比压的增大而增大,随扰动频率和振幅的增大而减小。通过与多种经典接触模型对比,当前的计算结果与GW模型更为接近。针对干气密封碳化硅作为动环、石墨作为静环的配对方式,在端面未发生磨损时,结合面的微扰动态特性以动态接触刚度为主,动态接触阻尼较弱。法向接触特性的变化主要考虑50%临界脱开转速之前的接触阶段。

干气密封螺旋槽激光加工工艺的ACE法优化

干气密封螺旋槽槽深和槽底表面的加工精度将对密封性能产生重大的影响,但精准控制槽深和槽底表面的加工精度仍有挑战。以槽深h_(g)=10μm、槽底表面粗糙度Ra≤0.8μm为设计控制目标,开展了干气密封螺旋槽激光加工工艺的优化研究。选取标刻次数、激光功率、填充间距、扫描速度4个对槽深h_(g)和槽底表面粗糙度Ra有显著影响的因素作为设计变量,每个因素均取12个水平,通过均匀试验分别得到12组工艺参数下的螺旋槽深度h_(g)和槽底表面粗糙度Ra;然后,利用ACE非参数回归建立工艺参数与槽深h_(g)、槽底表面粗糙度Ra的映射关系,并采用蒙特卡洛法随机生成大量的工艺参数样本,再通过插值算法和样本筛选得到了3组满足设计控制目标下的工艺参数及其预测结果,并根据实际情况对3组工艺参数微调后进行试验,获得3组实际工艺参数下的槽深h_(g)和槽底表面粗糙度Ra。试验结果表明:3组实际工艺参数下的槽深h_(g)和槽底表面粗糙度Ra均满足设计控制目标,且预测值和试验值吻合。最后,以加工效率和槽底加工质量为优化目标,优选出满足设计控制目标下的螺旋槽激光工艺参数。

考虑实际气体效应双列螺旋槽干气密封反转性能分析

离心式压缩机在实际生产运行中,因故障停机时会发生反转,要求配置的干气密封具有一定的抗反转能力。针对双列螺旋槽干气密封,选用CO2作为密封介质。用R–K方程表达实际气体效应,修正气体润滑Reynolds方程,分析在反转情况下,不同转速、膜厚、压差以及反向螺旋槽径向尺寸与正向螺旋槽径向尺寸之比(ε)对密封性能的影响。分别获得了正转、反转和静止3种状态下的端面开启力、泄漏率、气膜刚度和开漏比等密封性能参数。以气膜零刚度反转速度为抗反转能力性能指标,结果表明:CO2实际气体端面开启力和泄漏率大于理想CO2气体,而开漏比小于理想气体,分析CO2气体润滑的双列螺旋槽干气密封性能需要考虑实际气体效应。双列螺旋槽干气密封具有一定的抗反转能力,当反转速度小于气膜零刚度反转速度时,干气密封可以正常操作。以气膜零刚度时的反转速度为最大值,本计算案例最大反转速度为2 524 r/min。

槽底表面粗糙度影响干气密封性能的确定性方法

为了研究槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响,建立沿密封端面径向分布为正弦曲线的槽底表面粗糙度模型,考察在单个取样长度Lr内正弦波波长λ对密封性能的影响,确定了正弦波波数n=10,即波长λ=0. 08μm,采用近似解析法求解密封端面间隙的气膜压力分布,得到了不同槽深和不同膜厚下槽底表面粗糙度对干气密封端面开启力和泄漏率的影响规律.结果表明:针对所研究的工况,与光滑面相比,槽底面粗糙度Ra=0. 4μm时,开启力的最大相对误差(绝对值)为0. 12%,泄漏率的最大相对误差(绝对值)为0. 31%;槽底表面粗糙度Ra=0. 8μm时,开启力的最大相对误差(绝对值)为0. 50%,泄漏率的最大相对误差(绝对值)为1. 26%.这说明,一般工况下,槽底表面粗糙度Ra≤0. 8μm时,可忽略槽底表面粗糙度对干气密封性能的影响.而在非槽区气膜厚度h0<2μm的运行工况下,建议将槽底表面粗糙度Ra降低到0. 4μm以下.

面向机器人加工复杂轮廓误差控制的策略研究

针对机器人加工复杂曲面零件,提出一种面向加工轮廓误差的控制策略。通过向量的形式定义了机器人加工任务的轮廓误差,结合双向搜索、斐波那契搜索和球面线性插补算法,对机器人轮廓误差进行了估计;在此基础上通过将加权轮廓误差分量补偿到机器人任务空间的速度指令中,设计了机器人加工任务的轮廓控制策略。实验结果表明:对于位置和姿态轮廓误差,估计值与真实值的差异非常小,且与单纯的跟踪控制相比,位置和方向轮廓平均误差大约降低了30%,验证了所提加工轮廓误差控制策略的有效性。