流体动力润滑螺旋槽非接触机械密封的发展及应用

详细地分析了非接触机械密封商业产品中的一些二维及三维流体动力槽形、特别是螺旋槽形的动态性能,包括对径向对称与径向弯曲类槽形的流体动力品质;明确地提出了避免非接触机械密封系统发生“半频自激涡动”及流体膜“共振振荡”的理论概念及螺旋槽非接触干气密封应采取顺流方式以获得高刚度而增加其运行稳定性和液体湿式密封应采取逆流方式以实现密封的无泄漏的设计准则;系统地阐述了非接触机械密封在离心气体压缩机和液体泵类上应用的2类体系及其干运行非接触气体密封的检验规范。

零压差零泄露”双螺旋槽非接触机械密封性能计算

计算了内装式双螺旋槽非接触机械密封在零泄漏条件下的气液分界面半径、全液体润滑的临界转速、全气体润滑的临界转速。

基于Newmark-β法的非接触式机械密封轴向振动研究

振动对非接触式机械密封性能有着重要影响,如导致碰撞和泄漏。构建包括静环-液膜-动环-弹性元件的密封系统模型,探讨自由衰减振动、自激振动和地震极端振动3种激励下,密封系统静环、动环和弹性元件的位移以及密封系统泄漏和碰撞的情况。研究表明:在不受外界激励的情况下,在自由衰减振动下密封系统轴向稳定性和密封性能良好;密封系统在受到简谐振动激振力形式的自激振动干扰后,系统位移量明显增大,会显著影响密封性能;叠加一定地震烈度的随机平稳地震动影响下,弹性元件位移量大幅增加,密封失效。振动对非接触式机械密封性能的影响显著,应确保密封端面间液膜厚度稳定且足够小,以维持密封系统的长周期运转。

高速深螺旋槽机械密封端面环形槽降温传热机理分析

间隙内流体黏性生热量大、端面温升高是机械密封在高速工况下存在的关键共性问题之一,密封端面型槽将对跨尺度间隙内流体传热产生重要的影响。既有研究发现,静环内径侧开设环形槽可有效减小密封端面温升,为深入研究其传热过程及降温作用机理,应用ANSYS Fluent软件建立了深环形槽–深螺旋槽复合式端面构型(ASG)与经典深螺旋槽端面构型(SG)的热流体动力润滑(THD)模型,并在湍流计算模型下对比分析环形槽的传热过程,揭示其降温作用机理,讨论其几何参数对机械密封性能及降温效果的影响规律。结果表明:密封端面内径侧环形槽区因液膜较厚、流体剪切作用较小,润滑流体黏性产热量显著减小,从而有效降低了润滑液膜及密封端面温度;且环形槽槽深、槽宽的适当增加可强化其降温作用,最高达15 K,即温升下降约33%。此外,环形槽的降温作用导致流体黏度损失减小,故深环形槽–深螺旋槽复合式端面构型的密封承载性能与摩擦学性能相比经典深螺旋槽端面构型均有所提升。环形槽使密封环内径侧径向压力梯度增大,密封泄漏率有所增加,单位时间内泄漏流体带走了更多的黏性热量,加之环形槽的开设增加了内径侧高温流体与静环的对流换热面积,均有助于降温。上述结构及环形槽可有效降低润滑液膜与密封端面温升,增加液膜汽化裕度,对机械密封的高速化具有显著的工程意义。

基于CNN-VIT模型的非接触式机械密封多源故障状态识别方法

针对非接触式机械密封多源故障信号频率高、识别难和易受干扰的难题,搭建密封试验台,模拟4种典型故障工况和正常运行工况,布置声发射(AE)测试系统测取10000个特征样本,将卷积神经网络(CNN)结构与Vision Transformer模型相结合,并在CNN输出数据中引入Patch概念构建了一种改进模型,随后应用于密封故障状态识别,提出了一种新型的非接触式机械密封状态智能识别方法,并分析了改进模型各层网络决策对密封AE数据的影响。结果表明,AE技术能够高效监测非接触式机械密封多源故障状态信号,该方法对密封状态识别的准确率最高可达99.42%;改进模型更加关注稳定运行状态信号中频率为0~50 kHz和100~150 kHz的噪声频带数据,动环表面剥落状态信号中频率为100~150 kHz的噪声频带数据和270±40 kHz的摩擦AE频带数据。研究结果可为机械密封的智能化、高可靠、长寿命发展提供理论基础。

基于湍流模型的螺旋槽机械密封端面流动特性分析

为了研究高转速液膜润滑螺旋槽机械密封湍流流动特性,基于k-ω湍流模型,计算了密封端面液膜相对速度、压力与湍动能分布,并分析了不同转速与膜厚下密封开启力、泄漏率与端面各流动熵产损失占比。结果表明:槽区位置流体速度小,密封堰区流体速度大;液膜压力分布呈周期性,在螺旋槽背面前1/2流向位置处产生了空化;螺旋槽入口湍动能较大,在螺旋槽深度方向上,越靠近密封动环螺旋槽底壁面,流体湍动能越大;流体膜区域总熵产损失明显大于螺旋槽区域,总壁面熵产损失占比≥60%,总湍流流动损失占比≥30%;随着转速增加,开启力与泄漏率增大,壁面熵产损失增加,直接熵产损失降低,当转速≥10000 r/min时,湍流与脉动熵产损失相对稳定,占比35.64%~37.24%;随着膜厚增加,开启力降低,泄漏率增大,壁面熵产损失先增大后减小再增大,直接熵产损失降低,当膜厚≥4μm时,湍流与脉动熵产损失相对稳定,占比40.26%~42.15%。研究结果可为高转速低能耗机械密封结构设计提供理论指导。

磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合分析

为了研究磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合效应,利用ANSYS Workbench软件计算了磁流体膜的压力分布、温度分布和动环的变形量,分析了电流强度、转速和磁性颗粒体积分数对磁流体膜压力、温度和动环变形的影响。结果表明:随着电流强度、转速和磁性颗粒体积分数的升高,磁流体膜的动压、温度和密封环的热变形都增大;内径处的磁流体温度最高但压力最低,磁流体基液易汽化;动环的压力变形远小于热变形;磁流体膜的压力、磁流体膜温度的数值解大于试验值和解析值,其主要原因在于数值解考虑了密封堰和离心力对磁流体膜的影响。

螺旋槽液体非接触机械密封的“零压差零泄漏”计算模型

提出了液体非接触机械密封零压差零泄漏的密封观点，理论分析指出密封端面能存在气液分界面，并推导出了确定单端面外装同向双槽机械密封气液分界面半径的解析表达式。

螺旋槽液体非接触零泄漏机械密封气液分界面影响因素分析

分析了螺旋槽液体非接触零泄漏机械密封气液分界面的影响因素，给出了确定零泄漏条件的最低转速和最高转速的理论表达式，以及根据工作转速确定最大允许开槽深度的计算式。

螺旋槽机械密封在气液两相下的工作特性研究

为了分析螺旋槽机械密封在气液两相润滑工况下的性能,采用液氮模拟涡轮泵的低黏介质润滑环境,获得了不同试验条件下液氮在两相中的比例k。引入气液时变混合因子λ,建立了λ与两相介质混合密度ρ和混合黏度μ的关系。给出了螺旋槽机械密封的气液两相量润滑计算模型,计算得到了两相润滑时机械密封的开启力F和泄漏量Q,并和试验结果进行了对比,在150~190 s时添加时变混合因子计算方法计算出的开启力和泄漏量较实测数据平均误差分别为6.71%和4.32%。结果表明:考虑两相影响的开启力和泄漏量计算值均小于不考虑两相影响的计算值,且端面液膜气化降低开启力的同时也减小了泄漏量。气液两相量润滑计算模型增加了螺旋槽机械密封性能计算的准确性,研究结果可为两相工况下的机械密封设计及性能优化提供参考。

润滑液膜在热力耦合下对螺旋槽密封环变形的影响

以螺旋槽机械密封的动静环为研究对象,首先在Solidworks建立三维密封环模型,然后将其导入ANSYS-Workbench的Static Structural场进行热-力耦合模拟计算,研究两环在液膜力与环境热共同耦合作用下的变形情况。结果表明:动环端面由于微沟槽存在结构不连续,应力集中明显,槽根径区域的应力较大;静环端面结构连续,中径处没有应力集中现象,内外径边缘由于强制约束以及接触应力的作用,致使应力较大。动静环的变形量均随压力的增大线性增大,密封环材料始终处在线弹性阶段,材料对热效应不敏感。此时,应力引起的变形起主导作用。

螺旋槽-波锥坝组合型非接触式机械密封性能分析

针对液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下承载性能不足的问题,提出一种新型螺旋槽-波锥坝动静压组合型机械密封结构,采用MATLAB软件利用有限差分法求解考虑质量守恒空化边界的雷诺方程,并将组合槽与螺旋槽、波锥坝的密封性能进行比较,进一步分析不同结构参数与工况参数对组合槽性能参数的影响规律。结果表明:新槽型波数与螺旋槽数重合时组合密封在径向出现2个压力峰值,相较于单一槽型结构拥有更好的承载能力与较小的摩擦扭矩;液膜力与泄漏量随波锥比或径向宽度比的增加而增大,外径压力和转速越大,组合槽的承载性能提升越显著,但外径压力的升高会造成较大的径向泄漏。组合槽结合了波锥槽的静压承载与螺旋槽的动压承载综合优势,将有效提升液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下的润滑性能。

螺旋槽干运行非接触气体密封的理论分析与试验

设计制造了“W ndef 288型”螺旋槽干运行非接触气体密封(线速度111,4 m/s、温度110℃),并进行了动态与稳定性分析、特别是角向半频自激振动及共振振荡的理论分析。工业模拟运行了近3 000 h(100余次起停),上万的测试数据表明了其优异的性能。

深槽浅槽非接触式机械密封性能比较研究

非接触式机械密封由于其低磨损、高可靠性而成为密封领域研究的热点。本文通过对非接触式机械密封中深槽和浅槽机械密封的分类讨论,分别从研究现状、端面结构、工作机理、加工方法、应用范围几个方面对深、浅槽非接触式机械密封进行了论述和对比,同时例举这两类密封中具有代表性的圆弧深槽和螺旋浅槽进行了具体分析说明,简要给出了其各自的使用条件及范围,以期使广大从事机械密封的工作人员对这两类密封有较全面的了解,并对设计和选型有一定的帮助。

基于Fluent的树型槽非接触式机械密封的仿真计算

为了研究树型槽非接触式机械密封在不同工况下的密封性能,确定相关参数的变化规律,通过计算流场分析软件Fluent,采用Gambit软件对树型槽非接触式机械密封三维泄漏模型进行网格划分。基于N-S方程,选用层流模型与SIMPLEC算法,对树型槽非接触式机械密封的三维流场进行了数值研究,计算求得了密封面压力场分布及泄漏量。改变几何参数及操作参数再次模拟,得到了不同参数下流场的压力及泄漏量,并分析了相关参数对树型槽非接触式机械密封的影响,给出了相关几何参数的最优选择区间。

非接触式机械密封流槽设计技术研究

非接触式机械密封由于其低磨损、高可靠性而成为密封领域研究的热点。该文通过对非接触式机械密封中流槽设计技术进行分类讨论,分别从槽深、转向和介质模态三个方面进行了论述和对比,并简要给出了其各自的使用条件及范围,以期使广大从事机械密封的工作人员对非接触式机械密封有较全面的了解,并对设计和选型有一定的帮助。

非接触式机械密封表面开槽技术研究现状

密封表面开槽式机械密封已成为非接触式机械密封领域的先进密封技术,凭借其特有的动压效应及良好的密封性能,目前已在离心泵、离心机及反应釜等过程装备中广泛使用。开槽式机械密封的主要技术在于开槽环节,特别是微米级深度的浅槽,开槽深度几乎与表面粗糙度同数量级,对于槽深加工精度要求及去粗糙度技术要求较高。而且目前,多数针对非接触式机械密封数值分析及仿真中,都是将槽深假设为毫米级和微米级,如果试验及实际应用中开槽技术不能达到精度要求,其仿真及分析的现实意义就会大打折扣。鉴于此,在对非接触式机械密封的工作机理及流槽设计技术进行简单介绍后,该文对近20年来非接触式机械密封的槽型加工技术进行了系统研究,同时结合相应开槽技术的具体方法、原理及优缺点进行了分析综述,重点介绍了目前兴起的非接触式机械密封的激光雕刻加工法,其较高的加工效率、无污染性、良好的可控性及高精度,使其应用范围日益广泛。同时介绍了最先进的飞秒法开槽技术,以期对进一步的研究及应用提供理论指导。

非接触式机械密封间隙控制方法及模型研究

针对非接触式机械密封装置运行中,因工况不稳定等因素影响而无法使密封保持在非接触状态下稳定运行的问题,提出一种基于电磁吸附原理的密封端面间隙监测和控制系统。该系统通过传感器对密封端面间隙的实时监测和反馈,通过调节电磁铁电流以实现密封端面间距的实时控制。通过ANSYS软件对动静环间隙液膜压力进行分析,结合磁场强度的分布,建立电流与间隙距离的关系。结果表明:可以通过控制电流大小来控制密封断面间隙距离,对于机械密封的主动控制有参考意义。

螺旋槽异型结构参数对密封润滑膜汽化特性及性能的影响

为了了解螺旋槽异型结构参数对密封润滑膜汽化特性及性能的影响,建立了涉及饱和蒸汽压力与温度关系、黏温效应和流体内摩擦效应的密封润滑膜汽化计算模型,对比研究了螺旋槽、Z型槽和雁型槽密封的润滑膜汽化特性和密封性能.研究表明:液膜汽化主要发生在槽堰区及其附近坝区;Z型槽和雁型槽的外槽根周向槽具有储压作用,Z型槽内槽根周向槽有槽区汽化抑制作用.Z型槽密封的开启力明显高于雁型槽和螺旋槽密封,雁型槽密封的开启力略优于螺旋槽密封;Z型槽密封的润滑膜汽化程度最低、泄漏量最小.Z型槽密封开启力在径向偏转系数为0.500~0.625、周向偏转系数为0.375~0.500时取得最大值,但随螺旋角的增大呈近线性下降;润滑膜平均气相体积分数在径向偏转系数为0.625左右、周向偏转系数为0.375、螺旋角为20°左右时获得最小值;泄漏量在径向偏转系数为0.625左右、周向偏转系数为0.500时获得最小值,但随螺旋角的增大呈近线性增大.

湍流效应对高速机械密封端面型槽冷却性能影响分析

高速工况下密封间隙内流体黏性生热严重且流动行为复杂,流体流动状态是影响跨尺度间隙流固传热过程和温度分布的关键因素之一,应用ANSYS Fluent软件在湍流与层流计算模型下建立了环形槽与螺旋槽复合式端面构型(ASG)的三维热流体动力润滑(THD)模型,对比了两模型下螺旋槽的冷却性能差异与环形槽的降温作用,以此揭示了流动状态对端面型槽冷却作用的影响机理,分析了型槽几何参数对两模型下温度场及密封性能的影响规律。结果表明:湍流模型下深螺旋槽内存在的大片死流体区阻碍了槽口冷流体进入到槽根部,致使螺旋槽对间隙内高温流体的冷却作用衰减;层流模型下深螺旋槽内充满更多的冷流体,冷却作用较强。内径侧环形槽在两模型下均具有显著的降温作用,且随槽深、槽宽的适当增加其降温作用得到强化;持续增加螺旋槽槽深并不能达到持续降温的目的。液膜温度峰值在湍流模型下的预测值高于层流模型29~40 K。