为研究槽区分布对密封性能的影响,以发散型T形槽液膜密封为研究对象,通过改变槽形区域位置,使其分布在动环外侧、中部及内侧,形成外槽形、中槽形和内槽形3种结构;建立其相应模型,对其液膜流场进行数值计算,讨论工况参数和槽形几何参数对3种槽形结构密封性能的影响。结果表明:槽区分布对密封性能有重大影响,同一条件下,外槽形拥有较强的流体动压特性和流体泵出效应,从而具有较大的开启力和较低的泄漏量,在3种槽形中密封性能最好;工况参数和槽形几何参数对3种槽形的开启力和泄漏量有较大影响,当膜厚取2~5μm,槽深取5~9μm,槽数取10~14个,发散角取32°~40°,可获得较好的密封性能。

机械密封在起停阶段或操作失误时常处于干摩擦状态,由此导致的热损伤与磨损将影响其密封性能。以某YWN8合金接触式机械密封为研究对象,建立基于硬度及磨损系数的磨损数值模型,试验测定摩擦副密封环的硬度、磨损系数、干摩擦因数,验证磨损数值模型的准确性;对机械密封磨损进行仿真模拟,研究摩擦副密封环在干摩擦运转时单力场及热力变形下的磨损深度,并用磨损理论值进行验证。结果表明:干摩擦运转时密封环端面温升较低,温度不是其失效的主要原因;热力变形后密封环内外径间隙增大,造成端面粗糙峰接触面积减小,黏着磨损较变形前呈下降趋势,导致多物理场下的磨损深度与理论值不符。

以接触式机械密封密封环为研究对象,建立摩擦副密封环整体传热模型,通过热-结构耦合模拟与数值计算,得到摩擦副的温度分布以及不同工况条件下摩擦副的变形情况。研究结果表明:密封环最高温度与最大热流密度都集中在密封环靠近摩擦副的内径处;密封介质压力和弹簧比压增大,摩擦副闭合力增大,微凸体接触增加,使得摩擦副变形量增加;随着转速的增加,摩擦副端面逐渐打开,微凸体对开启力的作用减小,使得摩擦副的变形减小。

风电齿轮箱内的行星齿轮系在运行过程中产生的传动误差分析困难。为解决此问题,考虑行星齿轮系的实际工况,利用三维绘图软件建立多间隙的行星齿轮系非线性有限元模型。采用显式动力学求解方法,结合非线性动力学软件及齿轮啮合原理,讨论风电行星轮系在不同转速和负载时的动态传动误差曲线的变化规律。结果表明:时变啮合刚度和动态传动误差之间有一定的关联;行星轮系的动态传动误差与行星轮的动态传动误差存在差异。通过仿真证明了齿轮啮合刚度和传动误差对风电齿轮箱内的行星齿轮系运行过程有影响,实际应用中采用修边齿轮。

建立波纹管机械密封的波纹管-动环-流体膜-静环多体模型,对高温、高压、高速工况下的密封界面进行热流固耦合数值计算与分析,得到密封环在温度场、速度场、压力场等多场耦合影响下的应力和应变规律。在此基础上,分析主轴转速和流体压差对密封环端面温升和热应力变形的影响规律。结果表明:动静环的最大变形在端面的内径处,且变形量由内向外递减;动环端面的温升随密封压力和转轴旋转速度的增大近乎呈直线增加;动环的热应力变形程度随主轴转速和流体压差的增加而增加。

针对风机叶轮在旋转时发生耦合振动的问题,以离心式风机叶轮为研究对象,采用κ-ε湍流模型及振动力学理论,对叶轮周围流场及模态进行分析,得到不同转速下离心式风机内部流场的压力及速度分布情况。结果表明:受压较大区域分布在风机出口周围,叶轮中心速度较小,沿径向方向速度逐渐增大;随着转速增大,叶轮前4阶模态逐渐降低,后2阶模态逐渐增高。所得结论为风机叶轮的使用工况及优化设计提供了参考。

风电齿轮箱高速轴轴承的振动是造成风电机组安全隐患的重要因素,而轴系的耦合作用会对轴承振动产生重要影响。以某750 kW风电齿轮箱高速轴多支撑轴系为研究对象,基于中心差分法提出一种用于分析多支承轴系耦合振动的建模方法,并通过MATLAB进行了模拟计算。结果表明:耦合模型比非耦合模型轴承振动幅度小;不同轴承的接触力不同,且载荷作用点越靠近轴承接触力越大;当载荷作用点在靠近单轴承的一侧时,会出现接触力远大于另一侧的双轴承的情况。

针对某风机增速齿轮疲劳裂纹断裂问题,基于M积分法探究含初始三维裂纹的增速齿轮在裂纹扩展时的变化规律。根据断裂力学原理结合有限元原理分析计算,得出应力强度因子及疲劳扩展循环次数的变化规律。确定增速齿轮齿根受力最大位置后创建三维裂纹模型;通过改变齿根边缘三维裂纹纵向位置来探究三维裂纹在扩展过程中的应力强度因子及疲劳寿命变化。结果表明:随着裂纹扩展步数的增大,3组裂纹的应力强度因子KⅠ均增大,且齿根裂纹1应力强度因子一直保持最大;在直齿轮边缘的裂纹,越靠近齿根其疲劳寿命越小。

针对某风机增速齿轮疲劳裂纹断裂问题,基于M积分法探究含初始单裂纹及双裂纹增速齿轮裂纹扩展时的变化规律。根据断裂力学原理和有限元原理进行分析计算,得出应力强度因子及疲劳扩展循环次数的变化规律。创建只含1条裂纹的齿轮裂纹模型,计算裂纹扩展时的应力强度因子及疲劳扩展寿命;在初始单裂纹模型上继续创建第2条裂纹,通过改变第2条裂纹的初始位置探究第1条裂纹与单裂纹前缘应力强度因子及疲劳扩展寿命的变化规律。结果表明:整体上看,双裂纹中裂纹1刚开始扩展时比单裂纹的应力强度因子小,扩展到最后会高于单裂纹的应力强度因子,中间有一个交替变换的过程;产生双裂纹时,其中1条裂纹会导致双裂纹中裂纹1的加速扩展,减少寿命周期;双裂纹距离越近,双裂纹中裂纹1加速扩展得越快。

基于建立的三维螺旋槽机械密封摩擦副界面的流、固有限元模型,数值模拟了动静环端面间的流体膜,得到液膜的压力分布规律,结果显示压力呈非线性分布;然后将得到的压力值作为边界条件之一导入到动环端面的静力学分析中,利用两者接触面间的自动迭代计算实现单向弱流固耦合分析,结果表明:最大变形发生在动环端面螺旋槽处,而最大应力发生在螺旋槽顶端;并进一步研究了动环的转速以及介质压力和粘度对最大变形和最大应力的影响规律,为密封性能的优化提供了有益的参考。