小行星样品密封设计及验证

中国计划开展探测编号为2016H03的近地小行星并采集样品返回地面,测定小行星样品的物理性质、化学成分与矿物成分,为小行星起源与演化、太阳系的形成与演化过程提供科学依据。针对中国首次近地小行星采样封装任务,设计多种样密封方案,综合考虑密封力、密封面样品颗粒污染物防护等因素,采用双弹性体径向密封方案,并开展密封方案验证工作,通过高温、低温及模拟尘埃污染漏率试验,密封漏率优于5×10^(-6)Pa·m^(3)·s^(-1),满足小行星样品密封要求。

具有圆度误差的径向金属密封接触应力研究

由于加工圆度误差的影响,井下流量控制阀径向金属密封接触应力分布不均匀,从而影响密封性能。利用有限元方法研究具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布,并分析圆度误差对径向金属密封接触应力的影响;基于有限元分析结果提出径向金属密封接触应力分布的理论解析式,并进行误差分析。具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布的理论解与数值解相符,各参数引起的最大接触应力的平均相对误差约为10%。根据具有圆度误差的径向金属密封副接触应力的分布规律,提出合理的过盈量函数,修正了径向金属密封轴对称结构的悬臂梁模型的接触应力理论关系式,得出了圆度误差下的径向金属密封接触应力分布规律。研究结果为井下流量控制阀径向金属密封的设计提供了理论指导。

流线隧道式涡轮增压器转子动力学特性分析

为研究流线隧道式涡轮对涡轮增压器转子动力学特性的影响,将某型号车用涡轮增压器叶片式涡轮替换为流线隧道式涡轮,建立了密封流体激振、叶尖间隙激振和隧道涡轮轮缘间隙激振耦合条件下的转子系统模型,计算分析了涡轮材料和轮缘间隙对转子临界转速、稳态响应以及瞬态响应的影响。结果表明,K418高温合金隧道涡轮转子一阶临界转速大幅降低,稳态响应稳定性较好,但瞬态响应振动剧烈、失稳,表明隧道涡轮采用K418高温合金需要调整结构设计;SiC陶瓷隧道涡轮转子一阶临界转速下降、稳态响应振幅增加,但对转子稳定性影响不大,二阶临界转速有微小增加,稳态响应振幅下降,瞬态响应稳定性较佳。

圆弧型指尖密封径向极限变形量的计算方法研究

指尖密封是一种允许产生径向变形的接触式密封技术,径向极限变形制约着其使用工况要求。为揭示圆弧型指尖密封结构对径向极限变形的影响规律,构建了指尖密封径向极限变形量的数学计算模型,并与有限元分析结果进行了对比,研究了结构参数的影响。研究表明:数学计算模型计算结果与有限元分析结果误差为4.88%;指尖密封径向极限变形量随指梁间隙、指梁根圆直径、指梁型线圆弧半径等结构参数的增加而增加;随周向角、指梁顶圆直径、指梁基圆半径等结构参数的增加而减小;结构参数影响程度由大到小依次为:指梁间隙、周向角、指梁根圆和指梁顶圆、指梁基圆、指梁型线圆;其中,指梁根圆和指梁顶圆的影响需要根据具体结构尺寸来确定;指梁间隙影响程度最大,指梁间隙每增加1 mm,小尺寸指尖密封径向极限变形量就会增加10.005 mm,大尺寸的就会增加9.03 mm。

高坝洲电厂机组主轴密封设备改造可行性研究

高坝洲电厂3台机组主轴密封结构改造为聚四氟乙烯填料式后,存在漏水量不可控、检修维护工作量大、运行成本高等问题。根据国内径向自调节式主轴密封设备的使用情况分析,将高坝洲电厂机组主轴密封更新为径向自调节式是可行的;在更新的同时对主轴衬套进行更换,对检修密封进行优化,可进一步为密封良好运行创造有利条件。新主轴密封可有效减少漏水量,降低潜水泵启动频率,减少设备维护与检修工作量,节约发电成本,消除设备存在的潜在安全隐患,有效提高了设备运行可靠性。

径向双端面机械密封端面热-力耦合变形研究

针对鱼雷涡轮机径向双端面机械密封在高速、高温、高压等复杂极端工况下,内层密封发生泄漏的问题,基于热流固耦合仿真方法研究了其端面变形情况,结果表明,内、外层密封端面均产生沿半径增长方向逐渐变大的端面间隙,内层密封端面间隙大于外层,最大为0.04 mm。针对内层机械密封,比较动、静环端面单一热、力、热力耦合变形结果,并研究冷却水压力、密封端面宽度对其端面温度及变形的影响。结果表明,静环端面变形受温度影响较大,且力变形会抑制热变形,动环端面变形主要受温度影响;随冷却水压力增高,密封端面温度逐渐升高,静环端面变形略有减小,动环端面变形几乎不变;随密封端面宽度减小,端面温度逐渐升高,动环端面变形增大,最佳密封端面宽度为3.5 mm,静环端面变形随端面宽度减小而减小。

风电齿轮箱迷宫密封泄漏量分析及结构优化设计

为了分析某风电齿轮箱内迷宫密封各参数对泄漏量的影响,利用数值模拟和构建代理模型对迷宫密封的泄漏行为开展了研究。首先,根据风电齿轮箱三维实体模型构建了其迷宫密封三维流场模型;然后,基于FLUENT软件,通过单一变量法研究了迷宫密封泄漏量随进出口压力比、润滑液动力黏度、高速轴与低速轴的转速和迷宫密封的密封齿间隙的变化规律;最后,构建了径向基神经网络(RBF)代理模型,在该代理模型的基础上,在影响迷宫密封性能的因素中,选取了密封间隙、密封腔体高度和密封腔体宽度三个结构参数作为设计变量,以迷宫密封的最小泄漏量和出口最大速度为优化目标,使用非劣分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)获得了最优解。研究结果表明:迷宫密封泄漏量受两个转轴的转速影响很小;泄漏量与进出口压力比、密封间隙成正比,而与润滑油动力黏度成反比;求得最优解对应的参数所对应泄漏量减小了47%,出口最大速度降低了36%,数值模拟与优化理论计算结果一致。该结果可为研究迷宫密封泄漏量的影响特性提供理论依据。

全金属可溶桥塞异形接触结构密封特性

全金属可溶桥塞作为一种新型压裂工具,其密封结构是影响压裂效率的关键因素。为探究不同密封环结构对密封特性的影响,建立单槽形、椭圆形、双槽形、双曲形4种金属密封环结构的数值模型,利用有限元法,对密封环径向变形特征、密封性能进行分析,以及考虑双曲形结构表面粗糙度对密封接触面积、接触应力、接触面近场应力分布的影响。研究结果表明:随着锥体轴向位移量增加,4种密封环径向变形始终与锥体轴向位移量呈正相关规律,密封环最大、最小径向变形分别位于厚度较大外圆侧、厚度较小外圆侧;复杂接触面可以强化密封环的密封性能,在同样锥体轴向位移量下,双曲形密封环结构密封性能为最好,椭圆形密封环结构性能最差;考虑切向摩擦力时,摩擦因数越大,接触面近场Mises应力沿摩擦力方向发生偏移越明显。所得结论可为井下全金属可溶桥塞密封环的结构优选提供参考。

O形圈和矩形圈静密封性能仿真对比研究

基于有限元分析软件Ansys建立O形圈和矩形圈的有限元分析模型,分析对比预安装、介质压力、尺寸公差波动对两种密封圈接触压力和径向力等密封性能参数的影响。结果表明:预安装时,O形圈和矩形圈的接触压力分布差异明显,矩形圈的密封性能参数明显大于O形圈;承受介质压力时,O形圈和矩形圈的密封性能参数均随着介质压力的提高而提高,但矩形圈径向力随着介质压力的提高而提高的速度大于O形圈;尺寸公差波动时,O形圈和矩形圈的密封性能参数均随着尺寸的减小而降低,截面尺寸波动对O形圈和矩形圈密封性能参数的影响远大于内径尺寸波动的影响。

径向充磁磁性液体密封性能

针对大轴径大间隙工况下磁性液体密封耐压力减弱问题,设计了一种径向充磁磁性液体密封结构。采用有限元数值仿真的方法研究了该磁性液体密封结构的磁场和密封间隙中的磁通密度分布特征。讨论了内部永磁体结构尺寸对密封耐压性能的影响,并确定其结构尺寸。分析了经典磁性液体密封结构与径向充磁新型磁性液体密封结构的密封耐压力随密封间隙和转轴转速的变化规律。结果表明:相比经典磁性液体密封结构,径向充磁密封结构的理论静密封耐压力平均提高约57.4%;随着密封间隙的增大,径向充磁密封结构密封效果提升越加显著,密封失效极限转速逐渐减小。

不同口环密封结构对离心泵叶轮受力特性的影响

为了揭示口环密封结构对离心泵叶轮受力特性的影响机理,选取环形密封、圆周槽道密封和螺旋密封三种口环密封结构和离心泵进行匹配。基于RNG k-ε湍流模型和结构化网格技术,考虑三种口环密封结构,研究离心泵内部流场及其叶轮轴向力和径向力的分布规律。结果表明:随流量逐渐增大,三种口环密封结构的离心泵轴向力和径向力的大小均显逐渐减小趋势。环形密封结构对离心泵轴向力和径向力的影响最为显著,相比螺旋密封结构,其最大轴向力值减小16%,最大径向力值显著减小62%;相比环形密封,螺旋密封显著降低口环泄漏量,额定工况下口环泄漏量下降15%,使叶轮前腔和叶轮出口端液体压力值显著增大,从而影响离心泵叶轮轴向力和径向力的分布规律。为离心泵叶轮口环密封结构的设计和选型提供理论依据。

页岩气井压裂交变载荷水泥环密封能力研究

页岩气井压裂后的环空带压问题严重影响页岩气安全高效开发,且低弹性模量水泥浆体系及环空加压固井工艺有效降低页岩气井环空带压力的力学机理尚未明确。为此,针对页岩气井水平段和垂直段井筒结构差异,考虑水泥石残余应变,建立了环空加压固井提高水泥环界面径向应力与密封能力的计算方法,分析了环空加压压力和残余应变对界面径向应力的影响规律。研究结果表明:页岩气井压裂过程中套管内压周期变化将导致水泥环内外界面产生较大的径向循环载荷,进而引起水泥环残余应变和界面微环隙,最终造成水泥环密封完整性失效;针对不同水泥环残余应变值需控制环空加压压力下限以满足界面密封能力要求,环空加压固井增强垂直段水泥环密封能力的效果显著大于水平段的效果。现场应用效果显示,提供的模型计算结果与现场实际相符,可为该技术工程推广及应用提供理论支持。

部分回转阀门填料密封试验装置的设计

针对阀门填料选型计算缺乏依据、填料装配依靠工人经验的问题,通过对填料密封理论进行研究,分析了填料预紧力、填料高度、介质温度对阀杆填料密封性能的影响,设计了一种部分回转阀门填料密封试验装置,能模拟不同介质、不同温度以及阀杆部分回转等真实工况,可准确加载不同的填料预紧力,精确测量阀杆的摩擦力矩,进行填料逸散性检测,并评估阀杆填料密封性能。利用该装置针对柔性石墨填料进行了初步试验研究,实现了径向比压系数R的间接测量,得出轴向预紧力适宜区间为12~20 MPa,验证了装置具有较强的先进性。

偏心工况下梳齿、蜂窝与蜂窝-梳齿密封的泄漏特性

针对化工行业中透平机械运行过程中梳齿及蜂窝密封存在的偏心问题,本文搭建了高速旋转密封试验装置,通过试验真实还原化工行业高速旋转机械不同密封径向偏心和角向偏心工况,开展了不同径向与角向偏心状态下的不同结构密封的泄漏特性试验研究,揭示了偏心下梳齿密封、蜂窝密封及蜂窝-梳齿组合密封的封严机理,为化工透平机械的梳齿密封与蜂窝密封的设计与优化提供理论支撑。本文主要对比了梳齿密封、蜂窝密封及蜂窝-梳齿组合密封在径向偏心与角向偏心工况下的泄漏特性。主要结果表明:蜂窝-梳齿结构在所有测试条件下泄漏率最大,但其对偏心的敏感程度最低,受偏心的影响程度最小;蜂窝-光轴结构在所有测试条件下泄漏率最小,可以有效阻碍气体流动;梳齿-光轴结构在所有测试条件下对偏心的敏感程度最高,受偏心的影响程度最大,体现出显著的不稳定性。

石墨填料摩擦磨损与密封性能试验研究

摩擦磨损与密封性能是评价阀杆填料密封系统的重要指标。基于控制阀整机改造的新型摩擦与气密性填料综合试验系统,通过动态监测阀杆力学变化与填料函泄漏率,考察石墨填料的截面形状与组合方式对填料摩擦特性、磨损特性与密封性能的影响规律。试验研究表明:不同截面形状石墨填料的动态摩擦力水平均低于相同条件下的不同组合方式石墨填料,且阀门向下关闭的摩擦力较打开时更大;随着循环次数增加,试样的启动摩擦力呈下降趋势,而滑动摩擦力出现小幅上升,填料的磨损出现恶化,泄漏率攀升;研究的锥形、V形、菱形3种截面形状中,V形截面的启动摩擦力最小,对执行机构配置要求最低,菱形截面的滑动摩擦力最小,对控制阀位置精度影响最低;两端式和交替式2种石墨填料组合方式中,交替式石墨填料组合通过调整径向应力分布使填料摩擦力下降35%,密封特性得到改善,综合性能得到显著提高。

牙轮钻头径向非对称扁平密封性能研究

为了提高HAR橡胶密封圈寿命,提出一种新的径向非对称扁平密封结构。相比传统对称截面扁平密封圈,径向非对称截面的密封接触面积更小,因而减小了内圈动密封面旋转产生的热量以及磨损。通过试验对比氢化丁腈橡胶(HNBR)与丁腈橡胶(NBR)的性能,选择出合适的橡胶密封圈材料;分别建立径向非对称扁平密封圈与传统对称截面扁平密封圈的有限元模型,对比2种结构的密封性能;在不同的环境压力和温度下对径向非对称扁平密封圈的密封性能进行评价,并在现场进行应用验证。仿真结果表明:径向非对称扁平密封圈接触应力更大,密封性能更优;同时,其Mises应力明显低于传统对称截面扁平密封圈,证明径向非对称扁平密封更适合长期稳定工作。现场应用结果同样验证:在高温高压工况下,径向非对称扁平密封圈密封性能可靠,具有较高的实用价值。

基于旋转密封可靠性试验系统的密封件性能验证

为了延长旋转密封件的使用寿命,同时降低旋转密封件的故障率,依据GB/T 13871.4-2007及GB/T 14273-1993的要求,提出了一种通过单一要素控制的试验方法完成旋转密封件的多项对比试验,通过分析对比试验结果以获取影响旋转密封件密封效果和使用寿命的因素。结果表明:通过粗糙度试验,从工艺性及经济性等角度出发,可以选用Ra0.8的轴径;通过轴径硬度试验,轴径的合理硬度为45~55 HRC;通过径向力试验及数据计算,合理的径向力为30 N左右;通过多种密封形式对比试验,可以看出一体式密封件密封效果较其他形式更好;通过设置不同转速,建立加速度理论模型,可以找出寿命与转速的关系。

矿用宽体车用轴向密封结构油封开发

为满足矿用宽体车负荷大、整车振动大、使用工况差、曲轴后端跳动大的需求,设计开发轴向密封结构油封;开展油封抗偏心跳动能力试验、油封泵吸能力试验、摩擦转矩试验等零部件功能试验,结合整机耐久试验,对比轴向和径向密封结构油封的抗偏心跳动能力、泵吸能力、摩擦转矩、摩擦功损耗、可靠性和使用寿命。结果表明:相对传统径向密封结构油封,轴向密封结构油封的抗偏心跳动能力更优,泵吸能力更强,摩擦转矩和摩擦功损耗更低,可靠性更高,使用寿命更长。使用轴向密封结构油封可以解决矿用宽体车油封漏油问题,降低市场故障率。

一种打捞井内卡钻连续油管的新方法

随着连续油管钻磨、冲砂等水平井井下作业技术的广泛应用,卡钻事件时有发生,因连续油管本身无法旋转,且机械性能受限,导致解卡能力不足,在面临由于井筒碎屑的堆积的情况下,特别是储层压力低导致循环无法建立,一旦发生卡钻极易造成极端事故,最终只能割管上修井机处理,费用高昂,是连续油管行业内作业推广面临的重大挑战。文章重点阐述了连续油管作业机结合密封打捞筒、径向切割炬(RCT)技术如何快速解决连续油管卡钻难题,并对系列配套处理技术进行了描述,对同类连续油管卡钻的处理具有重要借鉴意义,随着相关工艺的成熟应用,有望形成行业内类似问题处理的标准化处理方案。

关于气门油封唇口结构对泄漏量影响的研究

通过计算机辅助工程(CAE)仿真分析,研究单橡胶密封唇结构和多橡胶密封唇结构气门油封在不同气压载荷条件下,主唇口与气门杆接触宽度、径向抱紧力的变化情况。通过气门油封专用泄漏量试验台,测量不同橡胶密封唇结构气门油封在交变气压载荷条件下的泄漏量。通过发动机台架试验,研究匹配不同橡胶密封唇结构气门油封的气门的积碳情况。根据CAE分析结果,具有二道唇和气唇结构的三唇口气门油封,对气压载荷的承载能力最好,主唇口与气门杆接触宽度、径向抱紧力随正负交变气压载荷的变化最小。在0.4 MPa气压载荷条件下,三唇口气门油封主唇口与气门杆接触宽度变化率为0%,径向力减小2.5%;在-0.4 MPa气压载荷条件下,三唇口气门油封主唇口与气门导管接触宽度变化率为0%,径向力增加0.5%。根据泄漏量和发动机台架试验结果,三唇口气门油封泄漏量稳定,不同试样的泄漏量变差可以控制在0.5 mg/h以内,匹配该油封的气门经2 000 h发动机台架试验后,几乎没有积碳。研究结果可以为气门油封的选型和匹配设计提供指导。