部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分布的理论研究

建立了研究部分端面微孔机械密封端面间液膜压力分布规律的理论模型,应用有限差分法求解了端面液膜压力的Reynolds控制方程,获得了端面液膜压力分布规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比。研究了微孔密度Sp和微孔深径比ε对端面液膜压力的影响规律。结果表明:部分端面微孔机械密封的端面间液膜压力比端面全微孔的小;端面间液膜沿半径方向的最大压力降发生在孔区域结束处;端面液膜压力值最大值所对应的微孔密度Sp≈0.2,深径比ε≈0.02。

部分端面微孔机械密封性能的理论研究

研究了部分端面微孔机械密封的液膜开启力、液膜刚度、泄漏率和摩擦力矩等密封性能的计算方法,并研究了微孔密度Sp、微孔深径比ε、微孔区域比α等密封结构参数对密封性能的影响规律,并与端面全区域开微孔机械密封的情况进行了对比。结果表明,微孔密度Sp≈0.2、微孔深径比ε≈0.02时,开启力、液膜刚度和泄漏率最大;摩擦力矩随Sp、ε、α的增加而降低。

端面微孔机械密封研究进展

端面微孔机械密封是一种新型机械密封技术,它是在普通机械密封的端面上加工出微米级的小坑孔,具有良好的润滑性能和密封性能,已在石油化工行业用泵上获得了成功应用。本文简要地介绍了端面微孔机械密封的典型结构及其工作原理、端面微孔机械密封产生发展概况、最新研究进展及其在化工泵上的应用情况。

微孔端面机械密封间液膜的CFD数值模拟

应用Pro/E软件建立微孔端面间液膜的三维立体模型,Gambit软件对模型进行划分网格,Fluent软件对微孔端面间特定工况下的内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到流场的压力分布、速度分布以及泄漏量.改变微孔深径比再次模拟,得到不同参数下流场所对应的压力分布、速度分布及泄漏量,分析在同一液膜厚度情况下,微孔深径比对端面机械密封性能的影响.结果表明:当深径比ε=0.1时泄漏量最小,可获得最佳密封效果.

斜排微孔端面机械密封富集效应的理论研究

在周向部分开孔直排微孔端面机械密封富集效应研究的基础上,建立了周向部分开孔斜排微孔端面机械密封的理论分析模型,并采用有限元方法求解雷诺方程,获得了斜排微孔密封的端面液膜压力分布,分析了微孔斜排倾斜角、孔栏数、端面半径比等几何参数在不同转速、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,指出了斜排微孔端面密封产生承载力的机理。结果表明,当倾斜角在60°～90°之间取值,且每栏微孔的径向微孔数与周向微孔数相等或相差±1个时,密封综合性能最优。

锥面-微孔组合端面机械密封性能

在收敛锥面密封和多孔端面机械密封研究的基础上,提出了锥面-微孔组合端面新型机械密封,建立了该组合密封端面液膜压力控制的理论模型并采用有限元法求解,获得了端面液膜压力分布。在给定径向微孔比、周向微孔比和微孔深径比等微孔几何结构参数的条件下,分析了端面锥度、锥面宽度比、扇形微孔区的径向位置等组合密封几何结构参数在低压和高压工况下对密封性能的影响规律,研究了组合密封的开启特性,指出了锥面与扇形微孔区不同组合方式的特点及各自的使用范围。结果表明:在低压工况下,收敛锥面能提高机械密封的开启特性,扇形微孔区开设在端面高压侧能获得较好的密封性能;在高压工况下,微孔的动压效应能提高机械密封的稳定性,扇形微孔区设在低压侧能获得较好的密封性能;当端面特征几何结构参数选取为:锥度1.5～2.5,锥面宽度比0.2～0.6,内坝区宽度比0.1～0.3时,密封可获得优良的综合性能。

考虑空化效应的微孔端面机械密封泄漏量计算及机理

针对微孔端面机械密封泄漏量的数值计算方法和机理都不明确,基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了微孔端面机械密封的数值计算模型。数值计算结果表明沿着泄漏方向的不同截面的流量并不相等,所以必须要选择合理的积分截面才能计算出正确的泄漏量。根据径向流量场、周向流量场和压力场的分析,讨论了沿着泄漏方向流量不等的原因,揭示了空化效应和动压效应形成高压区,造成泄漏方向流体沿周向运动,从而降低了泄漏量。最后给出微孔端面机械密封泄漏量计算的公式和方法。

微孔面积比对微孔端面机械密封泄漏量计算的影响

微孔面积比(微孔面积与计算域面积的比值)对微孔端面机械密封的空化效应影响区和动压效应影响区的影响都大,进而影响到泄漏量积分截面的选择。使用质量守恒的JFO空化边界条件建立微孔端面机械密封泄漏量数值计算模型,讨论微孔面积比对微孔端面机械密封泄漏量计算的影响。结果表明:在微孔端面密封的泄漏量计算时,基于层流的积分方法是有一定限制的,并不适合所有的微孔面积比,当微孔面积比大于一定数值后,就找不到合适的积分截面。对不同的微孔面积比,可通过观察沿径向流量折线图与分布云图,分析动压效应和空化效应对流动状态的影响,确定能否找到合适的积分截面。

基于CFD的微孔端面机械密封液膜动压分析

应用Pro/E软件建立微孔端面间液膜的三维立体模型,用Gambit软件对模型分别进行网格划分.在特定工况下,利用Fluent软件对不同流体黏度和转速下的微孔端面间的内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到3种流场的压力分布.结果表明:平均动压力随着介质黏度的降低而呈线性减小,说明流体黏度低时流体动压效应弱;平均动压力随转速的增加而线性增加,表明密封环的转速越高,流体动压效应越明显.

考虑端面变形微孔表面无压动压润滑比较分析

表面微孔结构在剪切作用下诱发流体产生附加动压效应,提升流体膜承载能力,促使摩擦配合端面间维持流体润滑,改善摩擦性能。以6种不同微孔表面为研究对象,考虑端面弹性变形影响,开展无压工况下动压润滑特性的比较研究,数值分析平衡基础膜厚、流体流量、摩擦转矩、摩擦系数等性能参数随操作条件与孔型参数变化规律,并以最优动压特性与摩擦性能为目标,给定不同孔型参数的优化范围。结果表明:弹性变形与流体膜厚度相对应,轴向压缩变形越大,润滑间隙尺寸越大,膜厚越厚。相比于平衡基础膜厚,端面变形对膜厚分布影响微弱。在微孔倾斜角0~20°范围内,椭圆微孔与矩形微孔动压效应最为显著,且摩擦系数、摩擦转矩较小,优势较为明显。在孔深为4~6μm、方向因子为2时,不同形状孔型结构润滑性能均可达到最佳效果。

孔结构参数对端面密封压力场特性的影响

建立激光加工微孔机械密封端面间压力分布的理论模型,对理论模型应用数学变换,变换为-!(c!u)+au=f的标准椭圆型方程形式,应用Matlab软件求解端面压力的Reynolds方程,得到端面液膜压力分布规律.研究微孔半径、微孔深度和微孔密度对液膜压力的影响规律,结果表明:孔半径在0.22～0.35mm时得到的压力值是可以接受的,当膜厚较小时,可选较大的孔半径;膜厚在2～4μm时,压力取较大值.当膜厚较小时,深度可选择较大值;微孔密度在0.22左右时,端面间压力达到最佳值.

激光加工多孔端面机械密封性能参数的计算与分析

通过建立激光加工多孔端面机械密封性能参数的数学模型,应用有限差分法求解,获得在给定工况下泄漏量、摩擦功耗等密封性能参数数值,并分析不同微孔深度hp和面积密度sp对其密封性能参数的影响规律,得到微孔深度和面积密度的最佳值.研究结果表明：当微孔深度hp为20~40μm和面积密度sp为0.2~0.4时,可获得最佳的机械密封性能.

激光加工多孔端面机械密封结构参数的协调优化

通过建立激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型,采用有限差分法求解雷诺方程,得到不同微孔结构参数下密封端面间的膜压分布,进而可以计算多目标优化方法构建的液膜刚度与泄漏量之比的协调函数,获得了最佳的微孔结构参数值。研究表明,当微孔深径比ε为0.1069和微孔密度sp为0.492时,刚漏比最大。

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。