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。

梳齿密封直接刚度系数实验识别

设计并搭建梳齿密封直接刚度系数识别实验装置,研究了不同转速下激振频率和进口压力对密封直接刚度系数的影响,并与DyRoBeS中的Bulk Flow模型理论计算结果进行对比。结果表明:在任意工况下,所测的梳齿密封直接刚度系数均为负值,易出现转子不稳定现象;直接刚度系数随着转速、进口压力和激振频率增大而减小,转速对直接刚度系数的影响较小,且直接刚度系数与高频激振频率相关性较强;DyRoBeS理论计算与实验结果吻合较好。

梳齿密封流动参数传递分析模型

针对梳齿密封流动参数随齿数增多计算量非线性增大的问题,提出流动参数传递分析模型。以单个齿或腔为分析的基本单元,由计算或试验数据得出参考点,用径向基神经网络建立单元前后断面的传递关系。按连续性条件沿流动方向将所有单元串联,从入口递推至出口,施加出口边界条件对各断面上流动参数迭代求解。以某梳齿密封为例,在双控制体模型数据基础上建立单元映射关系,进而组成传递模型,求解各腔内流动参数。结果表明新模型用较少的配置点就能精确得出各腔内流动参数,迭代方法收敛。该模型中一个单元的分析模型适用于同类单元,不需重复建模,可有效减少计算量。单元模型参考点可选用多种数据,易于扩展。

离心压缩机梳齿密封气流激振的数值模拟

把研究物体在流场中振动时的受力和运动特性的非线性振子模型,推广到转子密封系统非线性动力学问题的研究中,突出了小间隙中非定常流对转子运动的影响。对某离心压缩机转子密封系统气流激振的数值模拟及其与实际运行数据的对比,证实了本文方法的有效性,为在工程设计和操作中预防和避免气流激振的发生。

梳齿密封静态稳定性理论与实验研究

梳齿密封静态稳定性直接影响转子系统安全与稳定运行。以梳齿密封为对象,提出了密封气流力与静态刚度系数实验识别方法,建立了密封三维流体力学分析模型,研究了不同偏心率、不同进口压力下梳齿密封静特性变化。研究表明:理论和实验结果相吻合,不同偏心状态下梳齿密封会产生一个使转子偏离静子几何中心的气流力和负的直接刚度,且两者都随偏心率和进口压力的增大而不断增加。实验密封出现的静态不稳定现象主要是由于密封小间隙速度沿密封泄漏方向增加较快,质量惯性力显著增大,压力能降低,从而导致大间隙压力大于小间隙,产生使转子偏离中心的气流力及负刚度,最终导致了静态不稳定。

超临界二氧化碳高低齿梳齿密封动力稳定性研究

建立超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))高低齿梳齿密封三维数值计算模型,应用基于微元理论的密封动特性识别方法,研究凸台宽度及密封间隙对超临界二氧化碳梳齿密封动静特性的影响,并与传统梳齿密封进行对比.研究表明:高低齿梳齿密封的交叉复合刚度系数对有效阻尼系数影响较小,主阻尼对其占主要影响.在低涡动频率下(<160 Hz),传统梳齿密封动力稳定性较好;而涡动频率高于160 Hz时,高低齿梳齿密封的有效阻尼系数约为传统梳齿密封的105%~113%;且存在1个最佳凸台宽度使密封系统稳定性最好(本文最佳值为5.13 mm);随着密封间隙的减小,有效阻尼系数的大小与频率依赖性分别增大、增强.高低齿梳齿密封泄漏量较传统梳齿密封降低约45.5%;凸台宽度5.13 mm、密封间隙0.4 mm时较原始模型(b=4 mm、c2=0.5 mm)泄漏量分别降低约5%和19%,高低齿梳齿密封泄漏量随密封间隙的减小而降低.

阻旋栅对梳齿密封动静特性影响研究

阻旋栅可改变密封进口流体周向流动与进口预旋,是提高系统稳定性的主要方法之一.本文作者应用计算流体力学方法研究了阻旋栅几何参数对梳齿密封动静特性的影响,计算分析了阻旋栅在不同长度、间隙、周向个数及不同进口预旋比下密封流场分布与动力特性系数,并与无阻旋栅梳齿密封进行对比.研究表明:阻旋栅能够有效抑制密封进口周向流动、降低密封腔室周向压力;随着阻旋栅周向个数与阻旋栅间隙的减小,其抑制效果增强,阻旋栅长度的增加对周向速度影响则越来越小;提高预旋比将使密封内流体周向速度增加.与传统梳齿密封相比,具有阻旋栅的梳齿密封直接阻尼增加,交叉刚度降低,进而有效阻尼提高.阻旋栅间隙s=0.20 mm、长度l=3.25 mm、数量n=90时密封有效阻尼较大,系统稳定性最好.

压缩机梳齿密封内部流场及激振力研究

以某大型压缩机转子振动试验台的平衡盘梳齿密封为研究对象,采用CFD方法,分析了转轴在不同相对偏心距下,定转速变压差和定压差变转速时的三维梳齿密封内部流场,总结了流场内部压力、速度和温度的变化规律。确定了由转轴偏心引起的密封激振力,转速升高、相对偏心距及压差增大均会导致激振力增大。

梳齿密封和圆孔型阻尼密封结构强度分析

针对某型号火箭发动机氢涡轮泵多次出现异常振动的问题,拟用孔型阻尼密封代替原有梳齿密封。采用ANSYS有限元建模方法对2种密封结构强度进行校核和对比分析,研究了不同结构参数对孔型密封强度的影响规律。结果表明:孔型密封相对梳齿密封而言,结构最大应力强度稍大,但在许用应力以下,且结构最大变形量较小;孔型密封周向50孔时前、后密封的最大应力强度、最大变形量相对于周向80孔密封结构小;随着密封孔深的增加,孔型密封结构的最大应力强度、最大变形随之增大;根据第三强度理论设计的孔型阻尼密封满足实际工程需求。

超临界态二氧化碳直通式梳齿密封数值研究

超临界态二氧化碳(Supercritical carbon dioxide, sCO2)梳齿密封技术是一项关系到sCO2先进动力系统中旋转机械运行高效、稳定的关键技术。为研究sCO2工质在梳齿密封内的流动特性,本文使用Fluent对实验中的梳齿密封进行了数值模拟,实验工况涵盖CO2的气相以及超临界相,共计18组。利用实验数据评价了不同湍流模型对计算的影响,分析了数值计算得到的密封内的流场分布以及能量转化过程。结果表明:本文提出的数值模型可以模拟sCO2工质在梳齿密封中的流动过程,在所研究的三种湍流模型中RNG k-ε模型的计算结果与实验数据吻合最好,其最大误差约为21.71%,平均误差约为7.43%。

梳齿密封阻旋栅有效性的定量分析与判别

阻旋栅是提高梳齿密封系统稳定性的重要部件,计算分析了阻旋栅-梳齿密封在不同阻旋栅间隙及预旋比下各密封腔室内压力、周向旋流强度及动力特性系数,对阻旋栅的有效性进行定量分析与判别。研究表明:阻旋栅间隙对各腔室内压力影响具有不同的趋势,随阻旋栅间隙减小,C腔室压力减小,而C-C腔室压力增大;提出了周向旋流增长率评价阻旋栅的影响范围,有阻旋栅密封周向旋流增长率沿泄漏方向降低,无阻旋栅密封基本保持不变。随着阻旋栅间隙的减小,阻旋栅对周向旋流的抑制范围增大;阻旋栅间隙的减小将增大C腔室内的交叉刚度,减小C-C内交叉刚度,密封整体有效阻尼提高,稳定性增强;预旋比的增加使得C-C腔室内交叉刚度增加,易引起系统失稳。

基于超临界二氧化碳梳齿密封泄漏实验对现有计算模型评价

超临界二氧化碳布雷顿循环系统凭借着效率高、结构紧凑等特点引起了全世界的关注。梳齿式密封作为循环系统旋转机械中非接触式密封形式之一,密封性能决定着系统的循环效率和系统安全性。为了研究超临界二氧化碳系统直通式梳齿密封结构泄漏特性,基于高压条件下梳齿密封结构27组实验数据,评价了2种迭代式计算模型以及2种快速计算模型的预测能力,给出了不同结构参数及热力学参数条件下的适用范围。

金斯伯雷轴承和PEEK梳齿密封在一氧化碳压缩机组上的应用

对一氧化碳汽轮机推力轴承的结构进行了分析,并且探讨了影响推力轴承润滑性能的主要因素,在此基础上提出了解决推力轴瓦温度过高的方案,最后分析了铝制密封结构中存在的问题,并提出相应解决措施。

二氧化碳压缩机组高压缸梳齿密封系统改进

某合成氨尿素装置于2012年安装完成投入生产后,二氧化碳压缩机组高压缸轴承室放空带油,导致润滑油箱液位下降过快影响机组的连续运行;建立三维模型并通过CFD软件Flow simulation对梳齿密封系统工况进行分析提出改进理论依据,帮助工厂解决问题。

基于反旋流的密封气流激振抑制方法及结构参数设计

梳齿密封因其结构简单、方便维修及使用寿命长等特点被广泛应用于各类透平机械,反旋流装置可通过影响密封腔室内周向流动,减弱螺旋形效应引起的气流激振问题,提高密封系统稳定性。建立反旋流梳齿密封三维数值模型,计算分析不同结构参数下反旋流喷嘴对密封动力学特性影响。结果表明:反旋流喷嘴倾斜角度越小,系统阻尼越大、稳定性越高,当倾斜角度为30°时,有效阻尼为垂直角度入射时的4倍;反旋流喷嘴形状对密封动力特性及流动特性影响较小,2种喷嘴孔型交叉刚度均为负值且低频下二者交叉刚度差值约为5 k N/m、高频下约为1~2 k N/m;喷嘴数目越多,越能够抑制转子周向流动,利于系统稳定。

大型水泵导轴承梳齿迷宫密封研究

推导了大型水泵油润滑导轴承梳齿迷宫密封泄漏量计算公式。通过实例计算了梳齿迷宫密封的泄漏量及各密封段的压降,分析了各段对密封效果的影响。比较了梳齿迷宫密封与端面密封的密封效果,分析了油润滑导轴承浸水的可能原因,指出了梳齿迷宫密封的适用性。结果表明:在水泵导轴承梳齿迷宫密封中O形密封圈的磨损量对泄漏量影响很大,O形密封圈必须选用耐磨性能好的材料,并控制泵轴摆度以减小O形密封圈的磨损量;在正常运行情况下梳齿迷宫密封的泄漏量远大于端面密封,因此要保证足够的排漏水能力,以免因排漏水不畅造成导轴承浸水。

梳齿-蜂窝可刮削汽封在丁辛醇3741透平上的应用

针对丁辛醇3741蒸气透平轴端蒸汽密封长期过量泄漏的工程技术难题,介绍了梳齿-蜂窝可刮削汽封的设计及在丁辛醇3741蒸气透平的首次应用;根据改造后的运行数据监测,显示了3741蒸气透平轴端汽封过量泄漏得到根治,表明了梳齿-蜂窝可刮削汽封的高性能与在工业驱动蒸气透平应用的正确性。

反旋流对梳齿密封动力特性影响机理及有效性

对比分析了不同预旋比下反旋流装置对梳齿密封各腔室内压力、周向流速、周向旋流增长率及动力特性系数,对反旋流梳齿密封的有效性进行定量分析与判别.研究表明:反旋流装置对密封周向流动有较强的抑制作用,且对各腔室压力有不同影响,其中对C3~C6腔室压力作用效果较明显;引入周向旋流增长率衡量反旋流装置作用效果,添加反旋流装置后,密封周向旋流增长率沿泄漏方向降低至C8腔室,在C9腔室处略有回升,无反旋流密封基本保持不变.添加反旋流喷嘴使C3~C6腔室直接阻尼增大,且各腔室交叉刚度均减小,各腔室有效阻尼提高,总有效阻尼增大稳定性增强.预旋比使C1~C2腔室的直接阻尼有显著变化.添加反旋流喷嘴后,腔室交叉刚度在高预旋比下减小更多,有效阻尼受预旋影响较小,反旋流对进口正预旋有较好抑制作用.

不同雷诺数下混流式水轮机密封间隙通道内流动特征分析

针对水轮机密封间隙流道空间尺度相差较大,为实现对间隙流道的整体精确计算,文中采用分步投影法,求解间隙流道内不可压缩的Navier-Stokes方程.为更好地捕捉到间隙通道内的涡结构特征,对梳齿密封间隙采用六面体网格划分,在壁面边界处进行网格加密.扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用Quick迎风差分格式.通过数值求解得到不同流动雷诺数下间隙流道内速度、压力及涡量的分布规律,同时得到顶盖压力、间隙流道产生的轴向推力和转轴力矩.计算结果表明:流体从间隙进入梳齿空腔后,形成典型的旋涡耗能结构而耗散部分动能,对降压节流起到主要作用,同时,雷诺数对腔体内的旋涡形态影响较大.计算结果有助于理解不同流动雷诺数下水轮机密封间隙渗漏流道内复杂流动的真实物理机理以及密封间隙对轴系结构动力学特性的影响.