液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式,且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中,实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变,由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象,甚至完全失效,严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行,因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义.本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状,归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径,阐述了机械密封的相变原理,总结了端面流体膜参数的测量技术与方法;在试验研究方面,提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关,其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注,但缺少关于端面形貌或织构的深度研究,也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究;在理...

为解决现有干气密封端面型槽型线方程表征能力不强和结构参数定义体系不统一的问题,提出了一种基于径向微段组合以表征任意形状型线的广义对数螺旋槽结构模型。给出了广义对数螺旋槽结构参数定义体系,对比了不同压力和速度条件下广义螺旋槽与经典螺旋槽干气密封的开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能,重点研究了广义螺旋角分布和型线周向偏转两个特征量对干气密封性能的影响,基于不同目标函数获得了广义螺旋槽的最优形状。结果表明:型槽上游侧壁型线形状对各项稳态性能参数均有显著影响,而下游侧壁型线形状仅对泄漏率和气膜刚度影响显著;经典对数螺旋槽是一种流体动静压效应很强的端面结构,单纯依靠型线优化难以使气膜承载力显著提高,不过在低压高速条件下优化广义螺旋角分布,在高压低速条件下合适设置型线周向偏转有望提高...

超临界CO2(supercritical CO2,SCO2)干气密封是SCO2布雷顿循环系统中的关键零部件之一,但高压差、高转速和临界点附近CO2的非常规物性仍使其设计极具挑战。综合考虑实际气体效应、阻塞效应和湍流效应,该文建立SCO2干气密封稳态性能求解模型,研究不同压力、温度、转速和膜厚下各实际效应对SCO2干气密封开启力和泄漏率的影响规律,探讨各实际影响对密封性能的影响机制,获得了不同运行参数下的关键影响因素。结果显示湍流效应和实际气体效应对SCO2干气密封的稳态性能影响显著,阻塞效应影响较弱。湍流下密封开启力随转速的变化与层流下完全不同,这是由湍流效应对静压和动压开启力共同作用的结果。表明实际气体效应和湍流效应是SCO2干气密封设计中需要重点关注的因素。

超临界CO2压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO2和N2干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO2干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明:高频下超临界CO2干气密封的刚度和阻尼系数较N2干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。

采用商业有限元软件建立了核主冷泵用流体静压型机械密封动、静环组件的非线性二维轴对称有限元模型,通过对接触状态的分析给出了合理的动、静环简化边界约束条件,基于此建立了热弹耦合数值模型,对雷诺方程、能量方程、热传导方程进行耦合求解,证明了所建立模型的正确性,并对静环端面尺寸参数进行了优化设计。为保证良好的稳态密封性能,计算结果推荐静环端面的锥角在300～350μrad范围内选择,台阶半径Rm在0.120～0.125m范围内取值。

针对现有机械密封端面泄漏通道模型存在的不足，考虑到流体在端面间的流动过程和渗流过程具有相似特征，建立了基于渗流原理的接触式机械密封端面间渗流通道模型，利用达西公式计算了端面间的泄漏率。研究了表面粗糙度、膜厚对孔隙率的影响，表面粗糙度对最大微凸体直径的影响，以及膜厚、表面粗糙度、端面宽度和对泄漏率影响。结果表明，孔隙率随表面粗糙度的增大而减小，随膜厚的增大而增大；最大微凸体直径随表面粗糙度的增大呈线性增大趋势；泄漏率随表面粗糙度的增大先增大后减小，随膜厚的增大而增大，随密封端面宽度的增大而减小。提出的研究方法为更准确计算接触式机械密封的泄漏率提供了新思路，对进一步探究密封的泄漏机理具有一定的科学意义。

考虑波度密封端面的粘性生热和润滑液膜与密封环之间的热作用，建立了包括密封环和液膜在内的流固热耦合模型，采用流线迎风有限单元法求解了雷诺方程、热传导方程和能量方程，研究了液膜膜厚、波数、波幅、坝宽比、转速及密封压力等参数对密封环温度场和液膜温度场的分布规律的影响。结果表明：波度对密封端面起到了冷却作用；密封环和液膜温度随着膜厚、波幅增大而降低，随转速、坝宽比增大而升高，波数和密封压力对温度的影响不大。

考虑流体粘温效应，建立了典型核主泵用流体动压型机械密封三维稳态传热有限元模型。建立了由流体域及密封环组成的二维轴对称共轭传热有限元模型，计算了对流换热系数。在此基础上，采用有限元软件求解三维模型密封温度，分析了流体入口流速以及转速对密封端面温度的影响。结果表明：深槽结构导致开槽静环密封端面温度分布不均匀；流体入口速度几乎不影响温度分布；增大转速，密封端面温度显著升高。

以核主泵流体动压型圆形深槽第二级密封为研究对象,建立包括密封环、端面液膜和密封腔组成的三维跨尺度传热系统。采用Fluent软件,在流固交界面采用强制耦合,求解能量方程和N-S方程,获得端面间液膜、密封环、密封腔的流场分布、压力分布和温度分布,在此基础上研究转速、冲洗量和冲洗进出口位置对三维传热系统的影响。结果表明：冷却冲洗对于密封环的散热有显著效果;深槽能降低密封端面的温度,起到局部的冷却作用;深槽结构以及流体惯性作用,导致深槽两侧存在压力梯度;转速对温度场的影响远大于冲洗量的影响;冲洗进出口位置对密封环、密封腔的温度场影响较大,冲洗进出口位置均存在最优值,进口在无量纲量L/L0为4/7处最优,出口位于动环外周凸台处有较好的冷却效果。

催化剂微球装置是催化剂厂的重要装置,其中泵运行工艺条件苛刻,不仅泵输介质固含量高、腐蚀性强,而且泵启动频繁、抽空现象时有发生,因此泵用JF103型机械密封故障率高,运行周期极短,平均仅为3~5天。针对上述机械密封使用寿命短、可靠性低的问题,研制开发了激光加工多孔端面新型机械密封,并对其冲洗方案进行调整。现场使用结果表明,相比于原用普通机械密封,新型机械密封的使用寿命超过3个月预计目标并接近半年,完全满足了企业的需求。