等边三角形微孔端面机械密封多楔现象对性能的影响

微孔端面机械密封是通过设计改变微孔的几何特性以期望得到更优的密封性能,但几何特性如何影响密封性能却缺乏机理上的研究和指导。结合流体楔效应理论,采用数值计算的方法,基于Fluent多相流空化模型,针对等边三角形微孔端面机械密封,建立了其中1个微孔周期的间隙流体的3维数值计算模型,研究不同方向角下等边三角形微孔几何特性的改变对泄漏率和开启力的影响。首先,使用了流动因子判定流动状态、网格无关性分析确定网格尺寸、文献计算结果对比等方法,保证了数值计算模型的正确性。然后,结合楔效应理论与压力云图分析,提出了多楔现象,即:等边三角形微孔存在3个性质不同的楔。方向角的变化改变了各楔与密封端面旋转线速度间的夹角,故各楔的性质与强度随方向角的变化而变化。流体流经各楔,会产生不同的楔效应,多楔效应的组合影响了压力分布,最终决定了密封性能。最后,基于多楔现象,研究了等边三角形微孔端面机械密封的泄漏率与开启力。低压差下,方向角α=40°时泄漏率最小;高压差下,α=110°时泄漏率最小;增大转速将强化泄漏率的变化趋势。开启力在α∈[0°,120°]时,先减小后增大,α=60°时开启力最小;当α∈[0°,40°]及α∈[100°,120°]时,开启力随转速增加而增大;当α∈[40°,100°]时,开启力随转速增加而减小。

基于多楔现象的微孔端面机械密封泄漏率分析及孔形设计

微孔的几何形状对微孔端面机械密封泄漏率有较大的影响,所以基于楔效应理论研究了微孔几何形状与泄漏率的关系。首先,应用等边三角形多楔现象的研究方法,对椭圆形、菱形、矩形、等腰三角形四种方向性微孔的多楔现象进行了分析,椭圆形、菱形和矩形微孔表现为中心对称两楔性质的微孔,等腰三角形微孔表现为非中心对称两楔性质的微孔。然后,分析了多楔现象对回吸率、回送率和泄漏率的影响,发散性楔形成的低压区是回吸率的主要影响因素,收敛性楔形成的高压区是回送率的主要影响因素,泄漏率受前两者的综合影响。最后,基于对多楔现象的理解,选取回吸能力最强和回送能力最强的两个楔形结构进行组合,设计出一种新的微孔,相比于原来的四种方向性微孔,其泄漏率最小。