应用表面激光打标机在密封环表面雕刻不同纹理,通过端面摩擦试验机对具有不同纹理、材料的摩擦副进行测试。从工况参数、纹理形状及材料等方面探寻摩擦副表面的磨损量、温升、摩擦系数和表面形貌的演变规律及其机理。对于端面无纹理配副:当转速为300 r/min时,摩擦系数达到最小,同时"硬对硬"组和"软对硬"组的温升幅度仅为转速250 r/min时的24.24%和21.48%;摩擦系数随着转速升高有明显变小的趋势;石墨环磨损量随着转速的增大先增加后减小;"硬对硬"组摩擦副在各工况下的磨损量小于"软对硬"组。对于单端面纹理配副:椭圆纹理运行最稳定,但是三角织构具有最小的摩擦系数、温升和磨损量。双端面组合纹理的摩擦磨损特性在单端面基础上能进一步提升。

在干摩擦情况下,研究干气密封环类金钢石(DLC)薄膜织构表面的摩擦性能,并揭示织构表面对界面摩擦学行为的作用机制。应用HDM20型端面摩擦磨损试验机测试了摩擦系数随凹坑直径、面密度的变化情况;用ST400三维非接触式表面形貌仪进行磨损前后表面形貌测量分析。研究结果表明:微织构化的DLC薄膜端面具有很低摩擦系数;在工况一致的条件下摩擦系数随着凹坑直径的增加而减小,随着面密度的增加而增加,但是摩擦系数变化的振幅减小。研究成果为干气密封环端面的摩擦学研究和端面微织构的优化提供了一定依据。

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。

磨合对防止干气密封环端面发生咬合、延长密封环使用寿命等具有一定影响,因而研究干气密封环在磨合过程中的变化特征,识别磨合状态有着重要意义。利用集合经验模态分解法(EEMD)提取端面间的摩擦振动信号,通过相空间重构,得到了摩擦振动信号的相轨迹和混沌参数。利用主分量分析法(PCA)和最大Lyapunov指数判别法,验证摩擦振动信号时间序列的混沌特性;并研究了吸引子结构演化轨迹及其特征参数关联维数的变化规律。结果表明:当转速为500 r/min、载荷为150 N和450 N时,磨合到稳定的过程中,各个摩擦振动信号时间序列的最大Lyapunov指数全部大于0,主成分分量谱图基本呈一条斜率为负的直线,摩擦振动信号具有混沌特征;当密封环间的磨损状态由跑合阶段到稳定阶段变化时,其对应的摩擦振动吸引子变化趋势为更加"收敛—稳定";混沌特征参数关联维数D值皆随着...

为研究超临界二氧化碳干气密封密封环的变形分布,揭示工况条件对密封环变形的影响规律,在考虑CO2真实气体效应的同时,建立考虑密封环对流换热的热-流-固耦合计算模型,借助CFD和CSM计算机仿真技术,研究超临界二氧化碳干气密封动、静环在多重载荷共同作用下的变形规律。研究结果表明:密封环轴向最大热-流-固变形出现在耦合面,热变形和力变形方向相反,其中热变形起主导作用;转速增大,密封环最大轴向热变形和力变形增大,动环最大轴向热-流-固耦合变形减小;介质压力增大,动环和静环最大轴向力变形分别增大66.25%和6.18%,最大轴向热变形和热-流-固耦合变形均减小;进口温度上升,动环和静环最大轴向热变形分别增大40.79%和34.90%,最大轴向力变形基本不发生改变。

为探究湍流效应对S-CO2干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO2真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明:湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下...

为避免干气密封系统在高速工作环境中发生共振现象,以叶轮转子-轴承-干气密封组成的大系统为研究对象,求解系统的固有频率,分析其动态特性。利用传递矩阵法,计算得出系统的四阶固有频率;采用有限元法对系统进行模态分析,得到其固有频率及振型图;再基于误差法和内积相关性法对2种方法所得到的固有频率进行对比分析,得出误差最大在8%左右,且内积相关度为0.948,吻合度较高。通过计算和仿真验证,证实2种方法的可行性,得出该系统工作转速不能大于10290.6 r/min,为以后叶轮转子-轴承-干气密封系统的动态特性分析提供了参考。

针对机械密封低速阶段存在信号内源耦合与外部干扰因素的共性问题,提出了信号局部特征尺度分解(local characteristic-scale decomposition,LCD)与小波阈值协同降噪方法。基于局部特征尺度分解结合小波阈值方法与声发射信号降噪的信息映射关系,建立了互相关系数对含噪分量识别机制,将纯净分量和降噪后的含噪分量进行重构,实现信号降噪,并搭建了机械密封声发射测试台,试验结果表明,LCD-新阈值降噪方法降噪效果优于LCD强制降噪和小波阈值降噪,LCD-新阈值降噪的信噪比分别比LCD强制降噪和小波阈值降噪高出20%和23%。从而证明基于局部特征尺度下密封声发射信号协同小波阈值的降噪技术维持了信号的可用性,保障信号故障特征,为进行机械密封全生命周期管理奠定了理论基础。

利用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面五种不同气膜厚度进行三维立体模型建模,采用FLUENT前处理功能对其进行网格划分。在特定工况下,利用Fluent流场计算软件对五种端面微尺度流场模型进行数值计算,求出压力沿径向分布和气膜厚度对应的开启力,基于最小二乘法原理基础上,求出开启力与厚度的五次多项式,在对多项式关于气膜厚度求导,得出气膜刚度与气膜厚度的四次多项式。结果表明：气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小,且随着气膜厚度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳,为了使干气密封长期安全、稳定的工作,端面气膜应有足够大的刚度。