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。

非对称压差下三角形微孔摩擦副的两向异性应用

带有方向性微孔的平行摩擦副在不同运动方向有不同的摩擦性能,但在两向运动时,利用方向性微孔的两向异性去适配两向不同压差的研究仍然缺乏。基于Fluent多相流空化模型,针对带有等边三角形微孔的平行摩擦副,建立了其中一个微孔周期的间隙流体的3维数值计算模型,研究了如何应用三角形的两向异性以减小摩擦系数。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,并与文献计算结果对比,保证了数值计算模型的正确性;然后,描述了三角形微孔的两向异性,并解释了三角形微孔两向异性产生的原因是由于两向运动时的不同楔效应;随后,研究了运动速度和微孔深度对两向异性的影响;最后,在不同的两向运动工况下,将三角形微孔摩擦副的两向平均摩擦系数与圆形微孔的两向平均摩擦系数进行了对比。研究结果表明:三角形微孔摩擦副的两向异性主要出现在压差较低的区域,摩擦系数差异最大可达31.68%;增大速度会使具有明显两向异性的压差区间增大;不同的孔深对两向异性的影响取决于孔深对动压的影响,孔深为3μm时摩擦性能最好;圆形微孔摩擦副的摩擦系数介于三角形摩擦副两向运动的摩擦系数之间,与正向运动时的三角形微孔摩擦副的摩擦系数最大相差17.96%;当两向运动时,应将三角形微孔尖端朝向压差较低侧,利用三角形微孔的两向异性,最多能够比圆形微孔减少13.3%的两向平均摩擦系数。