基于特斯拉阀的新型非接触式流体密封技术研究

针对传统接触式流体密封功耗大、高工况场合适应性差以及非接触式密封结构复杂、系统冗沉和维护成本高等问题,基于平面特斯拉阀结构提出了1种非接触、零磨损、低泄漏及结构简约的新型密封技术和结构.通过Fluent流体仿真计算软件建立三维新型密封结构,并对不同工况和几何参数下的密封性能进行系统分析,得到了新型密封的性能特性及最优参数区间.结果表明:介质压力P、密封间距h及密封级数Z等对密封性能影响最为显著,新型密封更适用于高密度、高黏度介质工况;新型密封三维流道分流角与平面特斯拉阀分流角最优区间一致,密封性能对转速变化不敏感,同样适用于低转速甚至停车状态;新型密封级数Z为4、8和12时对应的标准泄漏临界密封间距h分别为24、26和30μm,为相同工况条件下干气密封的十几倍甚至几十倍,且新型密封间距为刚性间隙,稳定性更高.基于本文中提出的新型密封,有望发展出1种流体密封新技术,并对现有密封领域形成技术革新.

新型自冲击密封的泄漏特性与封严机理初探

新型自冲击密封提出以来持续受到同行学者和行业专家的广泛关注和认可,本文中进一步通过对自冲击密封热力学效应及各类流场的剖析,建立起新型密封热力学效应与泄漏量的关系,从热力学角度分析了新型密封的流场特性与泄漏特性,研究了几何参数、工况参数、密封性能参数及其相互间的联系和规律.结果表明:建立的泄漏公式与仿真结果符合较好(变转速下误差为7.59%),可以较好的反映热力学效应与泄漏之间的关系;当密封间距h≤200μm时,密封熵增效果随密封间隙变化最为明显;密封介质流入后温度呈逐级上升趋势,至密封出口处达到最高,出口温度随压力和密封间距的增大而增大,随着级数的增大而缓慢减小,转速对出口温度的影响较小.新型密封主要通过间隙内流体的冲击产热进行能量耗散并最终实现封严功能,如何泄压、控温及选择合适的耐高温材料是新型密封尽早实现工业化应用的关键.

新型非接触式自冲击密封结构设计与性能分析

引入阻塞流体实施封严是非接触式密封的基本形式,节流效率低是制约此类技术性能提升、系统简化的关键。特斯拉阀凭借独特的造型结构,反向流动时形成的巧妙逐节冲击阻塞特性具有高效的节流效率。借鉴这一结构提出一种新型非接触式自冲击密封结构,兼具零磨损、高稳定性、结构简单和节流高效等特点,极具吸引力。应用CFD技术,仿真模拟不同结构和工况参数下新型密封的性能表现,结果表明:相比于水平型和阶梯型自冲击密封结构,层叠式结构具有更高的级数布置效率,并以AbBa式组合、交错比k=2时的抑漏效果最佳;新型密封对氢气、甲烷等低密度气体的泄漏偏高,对其他高密度气体的泄漏基本不变;新型密封泄漏量受压力影响较大、受转速影响较小,通过减小密封间距及增大密封级数可有效抑漏。相同工况下,以泄漏量为指标,新型密封较迷宫、螺旋、间隙密封可分别减漏27.79%、53.33%、64.34%;以密封间距为指标,新型密封实现标准泄漏时的密封间距是干气密封十几倍甚至几十倍,且新型密封间距为刚性间隙,稳定性更高。提出的新型密封结构,将衍生出一种密封新理论和原创技术,可以实现对现有非接触密封体系的理论拓展和技术革新。