扩压式自泵送流体动压机械密封综合性能研究

扩压式自泵送流体动压机械密封作为1种新的密封结构形式具有优异的密封性能和广泛的应用前景.分别设计出具有等截面型扩压环槽、发散型扩压环槽、收敛型扩压环槽和圆弧型扩压环槽4种扩压式自泵送流体动压机械密封,引入综合评价因子η,通过Fluent数值模拟分别对其综合密封性能进行了分析.基于最佳的扩压环槽结构,通过正交试验,对密封面结构参数进行优化.结果表明:等截面型扩压式自泵送流体动压机械密封综合密封性能最优;在试验参数范围内,螺旋槽数Ng和密封环外径rk对泄漏率均有影响,且螺旋槽数Ng影响最为显著.密封环外径rk和螺旋角α对开启力均有影响,其中密封环外径rk的影响更为显著,随密封环外径的增大,开启力迅速增大.依据正交试验分析结果,对密封面结构参数进行了优化,在其他边界条件均不变的情况下,新的因素水平组合得到的泄漏率最低为0.784361 ml/h,此时开启力大小为3.958962 kN.

扩压式自泵送流体动静压型机械密封自清洁特性研究

传统的流体楔入式机械密封需增设外部流体阻塞系统来降低杂质颗粒对密封性能影响。针对一种具有自清洁特性的新型扩压式自泵送机械密封,采用FLUENT中的DPM模型研究不同离散相参数、螺旋槽结构参数和工况参数对颗粒在动压槽内的运动规律和排出特性的影响。研究结果表明:含固工况下的端面液膜开启力和泄漏量较纯流体状态下更大,泄漏量最大增加6.1%;在低颗粒体积分数下,排屑率逐渐上升,在体积分数7%时达到最大,随后排屑率快速降低;随着颗粒直径增加,排屑率整体呈下降趋势,且颗粒直径越大,排屑率下降得越快;螺旋槽结构参数主要改变了螺旋槽内压力梯度分布幅值和分布范围,在低转速下,颗粒受压差梯度力影响更加显著;高转速和低介质压力工况能够显著提高端面排屑效率,排屑率最高能达到92.3%。

全油气系统理论基本原理

通过阐释全油气系统基本原理,并阐明全油气系统的结构,进而揭示常规油气—致密油气—页岩油气序列成藏规律以及全油气系统成藏模式与成藏机理;此外,阐述了页岩油气-致密油气储层地质模型、流动模型与开发生产机理,并给出了进一步的研究方向。研究表明:(1)全油气系统的主要结构包括3类流体动力场、3种油气藏与油气资源,以及两种成藏作用。常规油气—致密油气—页岩油气具有形成时间和空间分布的有序性、基于成因机理的序列合理性,表现出“序列成藏”的地质规律。(2)全油气系统成藏模式可以分为“碎屑岩盆地成藏模式”与“碳酸盐岩盆地(层系)成藏模式”两类。非常规油气的聚集成藏是一种“自封闭成藏”,油气自封闭作用的微观来源是分子间作用力(范德华力)。(3)非常规油气生产实践证实,页岩油气-致密油气储层地质模型、流动模型与开发生产机理是一个全新的领域,极为复杂,有待进一步研究。页岩油气一定是中国油气资源中最重要的资源接替。(4)进一步研究方向包括:碳酸盐岩盆地全油气系统特征及复合盆地演化源储耦合规律;页岩油气与致密油气运移、成藏与开发生产的流动机理;深层超深层页岩油气、致密油气和煤层气油气地质特征与富集规律;全油气系统油气资源评价与新一代盆地模拟技术;地球系统—地球有机岩与化石能源系统—全油气系统研究。

中国南方海相页岩气保存机理及模式

保存条件是控制页岩气富集和高产的关键因素,我国四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气已实现了商业化开发,但受到保存条件的影响,页岩气富集差异性明显,对勘探开发目标优选提出了挑战。因此,深化中国南方海相页岩气保存机理及模式研究对扩大页岩气勘探开发成效、提高页岩气产量具有重要意义。本文以四川盆地及周缘地区五峰组—龙马溪组页岩为研究对象,应用盆地模拟、流体包裹体分析、覆压孔隙度和渗透率实验、页岩三轴岩石力学测试等技术方法,取得了3方面认识:(1)揭示了页岩气构造保存机理,构造演化控制了页岩微裂缝开启、游离气富集和地层超压发育,差异构造演化过程及强度控制了页岩气赋存状态及含气量,构造抬升开始晚、强度小对页岩气保存有利;(2)阐明了页岩气顶底板封闭机理为岩性和物性封闭,岩性致密、页岩厚度、微观孔隙结构是顶底板封闭的关键控制因素,页岩气自封闭机理为毛管力和分子间作用力封闭,受控于孔隙连通性和甲烷吸附作用;(3)基于埋深和构造变形强度,建立了海相页岩气正向构造高部位和负向构造低部位保存模式。正向构造页岩气保存受控于裂缝发育程度,埋深大于页岩破裂深度、背斜两翼夹角大于120°有利于页岩气保存,负向构造页岩气保存受控于平行页理方向的封闭性,埋深大于页岩覆压渗透率突变带、斜坡倾角小于10°有利于页岩气保存。本文对中国海相页岩气勘探开发具有重要意义。

陆相页岩油富集机理探讨

通过对中国陆相湖盆富有机质页岩形成的构造和沉积环境分析,明确不同湖盆类型陆相优质烃源岩发育条件存在巨大差异性,淡水湖盆形成的泥页岩层系以长英质-黏土质页岩为主要岩相,松辽盆地上白垩统青一段和鄂尔多斯盆地三叠系长7段为典型代表;而咸水湖盆陆相页岩以富碳酸盐-蒸发岩类岩相为主,济阳坳陷古近系沙河街组是典型的实例。中国陆相页岩层系具有互层/夹层、混积页岩和黏土质页岩等3种主要岩相组合类型,它们控制了陆相富有机质泥页岩的源-储耦合特征、烃类差异演化和流体性质多样性。互层/夹层型页岩源-储分离、近源运移;混积页岩宏观上源-储一体,微观上源-储分离;黏土质页岩源-储一体,整体含油。多重证据揭示,无机孔是中-低成熟陆相页岩油最有利的储集空间类型,它们与多类型、多级次微裂缝耦合形成有效的孔缝网络系统,自封闭作用有利于页岩油气原位或近源保存。在典型盆地陆相页岩层系对比分析的基础上,提出良好的源-储耦合关系、适宜的热演化程度和自封闭性是陆相页岩油富集的主控因素,初步建立了中国陆相页岩油差异富集模式。断陷湖盆陆相页岩油勘探应重视缓坡带中-低成熟纹层状页岩和深洼区中-高成熟富黏土质页岩层系,而互层/夹层型和中-高成熟黏土质页岩是坳陷湖盆陆相页岩油突破的关键。

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.

热网循环泵机械密封冲洗水源改造过程的研究

我司热网循环泵密封为机械密封,型号为M74N-140,在轴间与旋转环构成极薄的液态膜,以避免介质发生泄漏。机械密封设计了机封冲洗水,用于冲洗、冷却机械密封,冲洗水由电厂闭式水提供。但设计参数与实际运行状况不符,实际运行时热网循环泵入口压力大于闭式水泵出口压力,导致热网循环水反串回闭式水系统,造成闭式水水质的恶化,以及机封冲洗水的作用失效。经多次整改,将机封冲洗水水源引自热网循环泵出口,改为自密封形式,彻底解决了机封冲洗水设计不合理的问题。

自泵送流体动压型机械密封性能分析

基于离心泵工作原理提出了一种自泵送流体动压型机械密封,并运用Fluent软件对自泵送型槽进行了三维流场动力学仿真分析,探讨了几何参数和工况参数对自泵送流体动压型机械密封性能即端面开启力和泄漏率的影响。研究结果表明:转速增大,开启力和泄漏率均减小;介质压力、槽台宽比、引流孔孔径及螺旋角增大,开启力和泄漏率均增大;随着槽数、槽长坝长比的增大,开启力均有所降低,泄漏率略有增大;槽深对开启力和泄漏率的影响趋势相似,存在一个使开启力较大而泄漏率较小的槽深;通过型槽参数匹配,自泵送流体动压型机械密封可以获得足够的开启力和较低的泄漏率。

接缝对高压实膨润土工程屏障自封闭性能的影响

以高庙子膨润土为研究对象,采用自主研制的多功能膨胀–渗透仪,对不同初始干密度的试样进行不同接缝宽度条件下的膨胀力和渗透试验,并对水化后的膨润土进行水银孔隙率定试验,从微观结构层面分析接缝对膨润土渗透性的影响机制。结果表明:接缝的存在将导致膨润土的膨胀力减小、渗透性增大,从而降低膨润土在处置库中的自封闭性能;在水化过程中,接缝的存在会引起膨润土内部孔隙大小和数量的变化,宏观表现为膨润土渗透性增大。

基于数值模拟的自泵送机械密封正交试验

提出了一种进液槽设置于静环、动压槽分布于动环的自泵送流体动压型机械密封;运用正交试验法设计了自泵送机械密封试验方案,并基于Fluent进行了数值模拟试验,探讨了各试验参数对端面开启力和泄漏率影响的显著性。研究结果表明:在试验参数范围内,影响端面开启力FO的显著因素为槽数Ng、槽长坝长比γ、槽台宽比d和压差p;影响泄漏量Q的显著因素为槽数Ng、槽长坝长比γ、槽台宽比d、转速n和压差p;具体表现为开启力随着槽长坝长比、槽台宽比、密封端面内外压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;泄漏量随着槽长坝长比、槽台宽比、转速、密封端面内外压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多而呈下降趋势。依据正交试验分析结果,提出了初步优化的密封端面型槽结构。

疏水表面的自密封性对机械密封性能的影响

液体润滑机械密封正常运行时,端面间的膜厚一般为1~15μm,液体表面张力对密封性能的影响不可忽略。本文以激光加工多孔端面机械密封（LST-MS）为研究对象,提出了疏水型面的几何结构模型,从理论上证明了疏水型面的自密封性;采用有限元方法求解雷诺方程,分析了密封介质表面张力系数在不同转速、不同介质压力等操作条件下对端面液膜刚度、开启力和泄漏率的影响规律,指出了润湿性对密封性能影响的重要性,并从理论上证明采用疏水型面的LST-MS完全可以实现零泄漏。结果表明,在转速n≤100 r.min-1、介质压比Po≤2的低速、低压工况条件下,采用疏水型面的LST-MS在保持高液膜刚度和开启力的同时,可使泄漏率大幅度降低;在端面发生轴向振动导致液膜厚度较大时,仍然可以使用具有高值表面张力系数的封液或冲洗液控制泄漏率;疏水型面宽度比γ的取值范围为：0.01≤γ≤0.10。

徐氏密封理论与矩形和O形环密封

密封元的至密封和持密封的难度是由其密封难至系数m1(接触层的弹性模量Ec/接触层基体的弹性模量Es)决定的。因此,在理论上,密封元的密封接触层应软而无弹性并安装至充分屈服变形,以提供1个弹性模量Ec值低的接触层;密封元的接触层基体应强而富弹性并安装至充分弹性变形,以提供1个弹性模量Es值高的接触层基体。橡胶密封元因其Ec≡Es而最难至密封,金属密封元因可通过设计和涂镀确保安装至其Ec<Es而远比橡胶易至密封。

3D-C_f/SiC复合材料抗高温氧化涂层结构设计与自愈合机理

为了提高3D-Cf/SiC复合材料耐高温氧化性能,采用CVD和粉末烧结技术相结合依次在其表面制成CVD-SiC粘接层—自愈合功能层—CVD-SiC耐冲蚀层等抗高温氧化涂层。运用TG、SEM和TEM等手段研究了自愈合机理。结果表明,抗高温氧化涂层自愈合机理主要是B4C和MoSi2等氧化增重形成在高温下可流动的玻璃相,玻璃相充填材料裂纹和空隙有效地阻碍氧气渗透。因而3D-Cf/SiC复合材料具有较好的耐高温氧化性能。

“山”形自闭式水封水密特性仿真计算与试验研究

为改善传统充压伸缩式水封机械加压方式所带来的闸门结构复杂和不耐久的问题,设计了一种利用水封在库水作用下自身的大变形主动完成封水的自闭式新型水封,从而取消机械加压,这种水封设计的关键是对各种工况下水封的变形进行准确预估。基于水封橡胶材料的非线性张量本构关系、几何大变形非线性特征、接触非线性特征、以某尖头“山”形水封为例,利用连续介质有限元计算方法对该种水封进行了自闭的仿真计算,并以室内试验加以验证。实践表明:“山”形橡胶水封能实现较好的自闭,且大大削减了闸门充压水封装置的建造成本、便利了工程维护、提高了耐久性,具有较大的应用价值。

水下桩基加固中钢套筒自行封底装置受力分析

为解决外包混凝土加固桥梁水下桩基时,钢套筒必须插入河床才能封底的问题,发明了一种能在水下桩基任意高度自动封底的钢套筒。采用ANSYS软件模拟外包混凝土加固桩基施工,分析筒底封闭装置关键尺寸参数变化对其受力和变形影响。结果表明:主要封闭材料橡胶阀片的厚度并非越厚越好;筒底与桩壁的空隙需兼顾施工要求及橡胶阀片的封闭性能,有合理的取值范围;封底装置的材料强度不控制设计。

软岩巷道中地下水流自动封闭机理分析

地下水对软岩巷道的支护具有重要影响，需要采取避开或封闭措施。在具有膨胀性和崩解性的软岩巷道中，地下水流存在自动封闭现象，本文研究了它的机理。研究表明，地下水的自动封闭缘于软岩膨胀机制和崩解粉末堵塞机制及二者的相互作用。

强自吸泵使用过程中存在的问题及解决措施

强自吸泵在使用过程中机械密封的频繁泄漏和出口流量不稳定的问题已严重影响机泵的正常稳定运行。利用双端面机械密封,合理选用机械密封的冷却介质带走摩擦副的发热量,延长了机械密封稳定运行时间。摸索强自吸泵入口处稳定运行的临界液位,优化入口管线管径,缩短了强自吸泵吸真空装置排气时间,使自吸泵启动后正常稳定运行。

自泵送流体动静压型机械密封自清洁性分析

流体楔入式非接触机械密封在流体动压的形成过程中,为防止流体中固体颗粒对密封端面的损伤,需增设辅助系统以提供洁净的阻塞流体,这增加了密封初期建设和维护周期成本.针对一种新型的泵出式自泵送流体动压型机械密封,应用Fluent中Laminar模型和DPM模型仿真研究了其在不同颗粒直径、转速、压差、液膜厚度和颗粒体积浓度下的自清洁特性.结果表明:排屑率整体上随着颗粒体积浓度增大而减小;当颗粒体积浓度足够低时,排屑率均会达到60%以上;随着颗粒直径增大,排屑率先增大后减小,在直径0.7μm时排屑最高达79.35%.;随着转速增大,排屑率先下降后显著上升,在计算的0~6 000 r/min范围内排屑率达到94%;排屑率受液膜厚度和压差影响较小.

自紧式开口静态封严密封环结构的设计及优化

通过建立自紧式开口静态封严密封环的二维ABAQUS模型,利用控制变量的方法,研究侧壁厚、底壁厚及凸台直径等主要结构参数对自紧式开口静态封严密封环最大Mises应力、最大位移以及回弹率等的影响,得到的自紧式开口静态封严密封环各参数的最优取值范围。研究结果表明,侧壁厚对最大位移与最大Mises应力有很大的影响,底壁厚和倾斜角对密封环的回弹率作用明显。针对金属密封环不易压缩、预紧力大、在振动工况下易于疲劳泄漏等缺点,在现有的金属U形环及金属V形环的基础上进行优化设计,并通过试验进行验证。结果表明,优化后的封严密封环侧壁与底壁回转连接处应力强度明显下降,且密封环上的应力分布更为均匀;在相同的压缩量下,优化后的密封环位移数值更小,更有利于阻止密封结构的泄漏。

高洁净度正弦机构驱动截止阀门设计

提出了一种新型快开截止阀门,该阀门适用于煤矿井下安全舱生命保障气路控制场合[1],通过正弦机构将手柄旋转±90°转化成阀芯往复直线运动,控制阀芯O形圈与阀体端面间分离、接触实现阀门开关功能,由于采用密封界面间无相对滑动设计避免了磨损,解决了填料球阀产生磨损颗粒物不可控的问题[2],保证了流路的高清洁度,传动机构具有增力作用,减少了手柄开启力矩。手柄锁定机构的独特设计具有高可靠性。利用有限元计算了O形圈接触力与压缩量关系,为计算旋转扭矩提供了边界条件。仿真了阀门流路的速度场和压力场,得出阀门的通径与流阻系数。该阀门与现有填料球阀相比具有洁净度高,密封可靠,手柄开启力矩小等优点,为安全舱气路控制阀门设计提供了一种新的技术途径。