高速箔片端面气膜密封热质传递规律研究

为探究高参数弹性箔片端面气膜密封热性能并开展结构优化设计,基于流体仿真分析软件,建立箔片端面气膜密封热性能分析模型,考虑空气介质实际气体效应影响,研究密封端面气体流动和传热特性,分析不同工况和结构参数对密封端面各流体、固体域最高温度和平均温度的影响。结果表明:箔片端面气膜密封热量主要集中分布在平箔片和密封坝上;随着转速的上升或入口压力、最小气膜厚度的减小,密封环组件各流体和固体域平均和最高温度增大;各流体和固体域平均和最高温度随楔形高度和节距比的增大而减小。

端面气膜密封的高性能端面结构

针对端面气膜密封设计中遇到的几种典型端面结构 ,对它们的密封特性进行了定量的分析比较 ,特别是建立了不同典型端面的密封特性与膜厚的关系 ,有利于指导端面气膜密封的端面选型。分析中 ,对每种密封端面 ,其结构参数都是依据有关文献选取的优化或近似优化的数据。在有关端面密封气膜压力分布的计算中 ,采用了对几何结构适应性强的有限元素法。

端面气膜密封的泄漏流特性

对端面气膜密封的密封坝不带自由流槽的优越结构,其径向泄漏所流行应用的经典理论计算,结果偏高,误差较大。本文将采用修正准一维可压流分析方法,考察有关压差、坝宽、膜厚及旋转效应对径向泄漏流大小及其出现阻塞流的影响。

端面气膜密封修正准一维可压流分析

对于端面气膜密封中流行应用的不带自由流槽的沿密封坝的径向泄漏，提出了一种修正的准一维可压流分析方法，它既可克服经典理论计算与实际的较大误差，又能延拓以往分析方法的局限。为此，需先知道密封的气膜压力分布和膜厚，这样，需先建立密封气膜压力微分方程，并拟通过有限元法求其稳态解。

螺旋槽干气密封端面气膜的热力过程

针对螺旋槽干气密封,仅考虑气体沿密封面流动经历压缩与膨胀的热力过程.利用萨特兰黏-温方程和气体过程方程表征气体黏度与压力的关系,将该方程代入Muijderman建立的螺旋槽流体膜压力控制方程,得到考虑多变指数m影响的端面气膜压力控制方程,对该方程求解获得气膜温度沿密封端面的变化规律.结果表明,随着m的增大,相应位置的气膜压力降低,但降低幅度不大.随着气体从外径流到内径,气膜温度沿密封环半径方向的分布规律反应出气膜的压缩膨胀特征.气体受到压缩时,气膜温度高于边界温度To,且m越大,温度越高;气体得到膨胀时,温度逐渐降低,且m越大,温度下降越迅速.

反转轴间双端面气膜密封性能分析

针对一种反转轴间双端面气膜密封系统的密封性能进行研究,建立系统二自由度力学平衡方程,通过有限元法求解双端面稳态气膜厚度以及气膜支反力;以瞬时扰动力与激振力模拟密封系统扰动,采用直接数值模拟法,求解密封系统的动态响应,使用快速傅里叶变换(FFT)处理振动信号。分析表明:动静压混合结构可在较大的膜厚范围内保持较高刚度,使系统密封特性提升兼有良好的稳定性。密封系统在瞬时力扰动下的收敛时间受密封跑道与主密封环质量比影响较大;在非共振频率的激振力下,密封系统动态稳定性良好;在共振频率的激振力下将会引起系统振动加剧、泄漏量增加,甚至失稳,设计中应予避免。

螺旋槽端面气膜密封结构高温特性研究

为了研究螺旋槽端面气膜密封结构在高温下的密封性能,建立了高温密封分析数学模型,研究了螺旋槽气膜密封的气膜温度、压力以及端面变形分布规律,在此基础上探讨了螺旋槽气膜密封的热变形机理,并进一步分析了不同密封压力、转速、环境温度下热效应对开启力和泄漏率的影响。结果表明:在高压、高速条件下,热效应使端面形成发散间隙,导致开启力减小,泄漏率增加;在低压、高速条件下,热效应使端面形成收敛间隙,导致开启力及泄漏率增大。对于螺旋槽端面气膜密封结构,环境温度的升高对端面变形的影响不明显,且环境温度从300 K升至550 K时,考虑端面热效应的开启力减小4%,泄漏率减少36%。

不同箔坝位置关系下浮动坝箔片端面气膜密封性能研究

提出一种具有浮动密封坝的箔片端面气膜密封(FSD-CFFGS),并以此为研究对象建立密封气弹耦合润滑理论模型,采用有限差分法求解可压缩气体的雷诺方程,分别在箔片端面高于、等于和低于密封坝平面三种关系下系统研究支撑箔柔度系数对膜压、形变及密封性能的影响规律,探究FSD-CFFGS的工作原理和密封机理.综合考虑自适应性、开启性和控漏性,确定FSD-CFFGS支撑箔柔度系数优选范围.结果表明:当箔片端面高于密封坝平面时,密封流体动压效应显著,开启性能较好;高度差Δh取1.5~2.5μm、箔片区支撑箔柔度系数α1取0.05~0.15、浮动坝区支撑箔柔度系数α2取10^(-5)~10^(-3)时,FSD-CFFGS具有一定自适应能力并能保证较好的开启性和控漏性.

三自由度微扰下箔片端面气膜密封动态特性分析

提出一种新型箔片端面气膜密封方式,基于气体润滑与弹性力学理论,应用小扰动法建立箔片端面气膜密封的微扰膜压控制方程。对比分析了不同箔片变形力学模型下的动态特性系数变化规律,探究了不同工况及结构参数对气膜动态特性的影响规律,以最大动态主刚度和阻尼作为综合优化目标,确定了结构参数的优选范围。结果表明:随着激振频率、转轴转速的提高,气膜动态主刚度与动态主阻尼的动态互补变化,抑制了润滑膜厚的激变,同时作为气膜不稳定诱因的动态交叉系数的变化放缓,降低了因工况突变引起气膜振荡、失稳的风险;此外,介质压力的增大能够显著提升密封维稳、抗振性能。当楔形高度取5~8μm,节距比取0.2~0.4,箔坝比取0.5~1.1,箔片数取4~6,箔片结构阻尼取5×10^(7)~8×10^(7)Pa·s/m时,箔片端面气膜密封综合动态抗扰性能较优。

惯性效应对超高速倾斜端面气膜密封稳动态特性影响

研究了惯性效应和端面倾斜对超高速气膜端面密封稳动态特性的影响.考虑气体惯性效应,建立了气膜端面密封稳动态特性数值分析模型,采用有限差分法求解稳态和微扰雷诺方程,获得端面膜压分布.数值分析了惯性效应和端面倾斜度对开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能参数以及刚度系数和阻尼系数等动态特性系数的影响规律,并以获得较大刚度系数为目标,获得了螺旋槽关键几何参数的优选值范围.结果表明:在超高速条件下,考虑惯性效应后的干气密封泄漏率显著减小,刚漏比明显增大,而开启力、气膜刚度和动特性系数变化不大;倾斜端面气膜密封相较于平行端面气膜密封具有更佳的低频刚度和高频阻尼.

端面气膜密封动力特性系数的计算

应用微扰方法和有限元法 ,对端面气膜密封三自由度微扰下 ,密封气膜的刚度和阻尼系数进行了数值求解。该分析可计及多种典型端面结构的动静压效应。分析结果表明 :轴向微扰和角向微扰之间的交叉作用很小 ,可以忽略不计 ,因此工程实际中 ,在进行端面气膜密封的稳定性和强迫振动响应分析时 ,可将三自由度的微扰运动简化为两个相互独立的微扰运动 ,一个只作轴向的微扰移动 ,另一个只沿两个正交轴作角向微扰摆动。

不同端面几何结构气膜密封的刚度与自振稳定性

分析了气膜密封的端面几何结构及其刚度与自振稳定性的内在关系 ,认为2

气膜端面密封角向摆动自振稳定性

提出造成气膜端面密封角向摆动自振的内在机理，既有半频摆动自振又有角向气锤自振。在其稳定性分析中给出了不同端面结构、浮环支撑弹簧和二次密封阻尼等的影响。分析按照小扰动线性化的分布参数法，联立气膜微扰雷诺方程和浮环微扰运动方程，对密封系统的角向摆动自振稳定性界限进行了数值迭代。

端面流体膜密封角向摆动自振产生及其半频特性的阐释

端面流体膜密封的浮环半频摆动自振特性是其一种固有属性,类似于径向流体膜轴承中的“半速涡动”。基于流体流动连续性原理,对端面流体膜密封角向摆动自激振动的产生及其半频特性的机理提出了一种简化力学的阐释。

高速气流阻塞效应对倾斜微孔端面密封动压特性的影响

以倾斜椭圆微孔端面为研究对象,考虑出口阻塞效应和入口压力损失,对高速气流润滑密封动压特性展开理论研究.采用数值方法重点分析不同密封压力、转速等操作参数和端面宽度等几何参数以及方向因子、倾斜角、孔深及面积比等微孔几何参数下,阻塞效应对开启力和泄漏量等密封特性参数的影响规律.结果表明:入口压力损失使入口处压力降低,出口阻塞效应使出口处压力抬升,导致端面开启力和泄漏量降低.随着转速和密封压力的增加,阻塞效应增强,与强制压力边界下的值相比,当密封压力为10 MPa,转速为50 000 r/min时,开启力降低可达5%以上,泄漏量可降低67%以上.当孔深取2~4μm,微孔倾斜角取20°~40°时较易获得优异的动压开启性能.

气膜密封中的角向气锤自激振动分析

在对"气锤"自激振动初步认知的基础上,通过数值计算分析了端面气膜密封中的不同典型端面结构型式的角向摆动自振现象,存在角向气锤自振和半频摆动自振效应。在用简化物理模型对端面气膜密封中的"半频摆动自振"机制进行力学阐释的基础上,分析了角向气锤自振的影响。针对不同界面典型结构分析了角向气锤自振的不同效应。

旋转式压缩机和泵用螺旋槽端面密封

叙述了旋转式压缩机和泵采用螺旋槽端面密封的结构、密封原理、特性、应用实例、选用和注意点及今后的展望。

波度对高温螺旋槽端面密封气膜承载能力的影响

基于表面粗糙和波度假设,考虑接触摩擦热,建立了高温螺旋槽气体端面密封润滑分析模型,采用有限差分方法对气膜压力、温度分布和表面接触力进行了数值迭代求解,重点分析表面波度对气膜承载力和泄漏率的影响规律。结果表明:表面波度对螺旋槽密封气膜压力分布、承载能力和泄漏率影响明显,全膜润滑状态下表面波度使得气膜承载能力下降、泄漏率增加,在3~5μm膜厚设计区间内,表面波度波幅增加到0.8~1.5μm可使得气膜开启力下降5%,泄漏率增加50%以上;混合润滑或小膜厚状态下,接触摩擦热可导致明显的气膜温升,并且表面波度可使气膜承载能力和泄漏率增加;螺旋槽密封气膜承载能力和泄漏率随环境温度的增加均呈现单调增加的变化趋势,温升200 K条件下开启力、泄漏率的增幅均可达到10%。