针对端面螺旋槽液膜密封空化效应,基于Schnerr-Sauer空化模型,采用流场计算软件FLUENT对机械密封端面液膜密封流场进行空化模拟,探究液膜密封在不同转速、入口压力、槽深、液膜厚度以及不同螺旋角对空化效应的影响规律。研究结果表明:端面螺旋槽液膜密封在考虑空化效应时的开启力、泄漏率均小于不考虑空化效应工况下的值,而且工况参数和结构参数的影响规律基本相似。综合考虑端面螺旋槽液膜密封的密封性能以及可靠性,建议取槽深为10~14μm、液膜厚度为3~4μm和螺旋角为15°~20°时,端面螺旋槽液膜密封的整体密封性能最佳。

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以及空化区域面积的影响。研究结果表明:端面螺旋槽液膜密封在湍流状态下的开启力、泄漏率以及空化面积比均大于层流模型下的值,且随着几何参数和工况参数的变化,层流效应和湍流效应对密封开启力、泄漏率以及空化面积比的影响规律基本相似;在不同条件下,螺旋槽外径侧更容易产生空化效应,且湍流效应下的空化区域明显大于层流效应下的值。研究表明在端面螺旋槽液膜密封中,湍流效应和空化效应对密封稳态性能的影响不可忽略。

针对双浮动端面密封的结构,建立密封二维轴对称非线性接触模型,提取浮动密封环谷半径和锥面角两个关键参数,利用有限元方法计算并分析这两个参数和橡胶O形圈压缩率对密封性能的影响。结果表明:随着浮动环谷半径和锥面角的增大,O形圈von Mises应力、接触压力、密封端面相对变形及轴向力相应增大;锥面角对以上性能参数的影响随着谷半径的增大而显著增加;轴向力同O形圈压缩率成正比,且增幅随着压缩率的增大而增大;浮动环端面产生由内径向外径处呈发散型的变形。通过设计浮动密封轴向力测量装置,实验验证有限元计算模型具有较好的可靠性。