基于有序造型设计的干气密封超快激光精密加工

干气密封的核心技术在于微米级槽型的加工,密封槽型的理论深度hg一般为3~10μm、粗糙度Ra≤0.8μm,目前的主流开槽方式为激光加工,但其实际加工精度与理论研究存在较大差距,严重影响了干气密封的实际使用效果。本工作通过采用超快激光加工技术,以碳化硅(SiC)材料为实验对象,实现了槽深幅值波动区间为2μm、最大粗糙度为0.59μm水平的槽型精密加工,提出了以材料气化阈值对应最小激光能量为基准的超快激光精密加工工艺思路。同时结合有序造型设计方法,得到了有序性好、规整度高的有序造型槽型结构,微尺度织构间距的最大误差仅为2.5%。该技术较传统工艺方法的加工时间缩短约30%,实现了适用于实际工业应用的低成本、高效率的有序造型激光定向加工技术。最后提出了基于同一检测手段下的平均多处随机检测均方差的质量检测评价方法,可对干气密封开槽质量及深度进行科学认定,研究结果可为进一步提高干气密封的加工制造水平、降低成本提供理论和技术支持。

T形槽气膜密封槽底粗糙度有序造型的扰流效应

为研究槽底粗糙度有序造型设计对干气密封微尺度流场的影响,通过将矩形体粗糙元近似为槽深变化,同时依据流体泵入方向进行有序等值延展,建立三维几何模型,并通过Fluent软件进行模拟验证。选择T形槽干气密封(T-DGS)为目标槽型,对槽底粗糙度有序造型设计进行扰流特性分析。结果表明:粗糙度有序造型的定向调节设计对干气密封性能的影响显著,微造型结构的槽底具有较好的导流效应,在一定条件下可有效提升密封开启性能,降低密封副干磨损风险;采用槽底粗糙度有序微造型设计的T形槽干气密封,在高压、高速、小膜厚和微槽深时较无微造型T形槽干气密封具有更优异的密封性能;但当转速超过一定范围时,微造型结构的扰流效会起到主导作用,使开启力迅速降低。

基于有序微造型的圆弧线槽干气密封性能分析

基于激光技术的干气密封开槽方法,提出在圆弧线槽干气密封(A-DGS)槽底开设粗糙度量级的有序微造型,以提高开槽效率、降低成本。采用有限体积法对无微造型圆弧线槽干气密封进行仿真分析,通过与现有文献对比验证了仿真方法的正确性;对微造型结构进行分析和筛选,获得偏移迎风侧与偏移背风侧结构对密封性能影响基本无差,本研究基于偏移背风侧微造型结构进行深入研究;与无微造型圆弧线槽进行对比,分析了不同几何参数和工况参数下的开启力和泄漏量变化情况;最后对各参数的影响程度进行对比分析。结果表明:同工况下,具微造型圆弧线槽干气密封(MA-DGS)的开启力较A-DGS有一定提升,在低速高压及小槽深时提升效果最好;微造型深度和微造型宽间比对干气密封开启力的影响在给定情况下甚于膜厚与转速的影响;密封端面槽型结构优化参数不受槽底微造型设计的影响;基于Taguchi实验设计方法,可以便捷准确地获得不同影响因子的影响程度,帮助工程设计。

具径向有序微造型的枞树型槽干气密封性能分析

为进一步提升双向旋转干气密封的密封性能,设计了一种在流体动压型槽槽底开设径向有序微造型的枞树型槽干气密封。基于气体润滑理论,建立3维润滑气膜模型,采用Fluent软件进行流体仿真,对不同结构和工况参数下有无微造型的流体型槽端面密封性能参数(开启力Fo和压漏比Fo/Q)进行对比分析。研究结果表明:径向有序微造型设计在低速时具有良好的开启性能提升作用,有助于改善启停阶段的端面磨损问题,在小槽深高转速时还可以较大提升Fo/Q;有序微造型的存在可以减小气流振荡,提高了运行的稳定性;微造型宽间比Bm/Cm=1时的密封性能最好;膜厚δ=2μm时,微造型深度ε取1.0~1.3μm,可使激光开槽效率最高且兼具优良密封性能;微造型设计在进出口压差(ΔP)较大时能够更有效地提升Fo和Fo/Q;有序微造型的存在几乎不影响δ、hg、N和ΔP对枞树型槽干气密封作用效果的总体规律。