泵在流量调节、流体激振等工况下会发生大范围的压力波动,易导致机械密封“失稳”,影响泵体安全运行。本文通过建立螺旋槽型三维液膜模型,采用Mixture多相流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型,探究边界压力波动对密封液膜端面空化及密封性能演变规律。结果表明,边界压力波动工况下,气相体积分数波动与压力波动之间存在相位差;相比于外径侧压力波动,内径侧压力波动对端面空化的影响较大;外径侧压力波动对密封性能的影响较小且跟随性较好,内径侧压力波动工况则相反;此外,内径侧压力波动工况下,临界压力使得气相体积分数为0且临界压力与波动周期有关,端面空化消失致使密封性能曲线急剧变化。基于边界压力波动对液膜密封的影响研究,泵用机械密封应采取旋转式密封形式(压力波动作用在外径侧),以减小泵内压力波动对机械密封产生的影响。

离心泵机械密封在运行过程中易发生端面空化,从而影响设备运行的可靠性和稳定性。为了研究螺旋槽端面空化对机械密封性能的影响,以泄漏量Q、开启力F作为优化目标,以槽深h、槽径比β、螺旋角θ、槽数n及槽位系数λ为变量,建立正交试验表,采用CFD方法进行密封膜流场数值模拟。研究结果表明:λ对开启力及泄漏量的影响显著,n次之;当λ≠0时,液膜内部空化剧烈,影响密封稳定性;当λ=0时,基于正交试验法,提出多目标参数最优工况曲线法,以P(泄漏量增量ΔQ/开启力增量ΔF)作为优化评价指标,得到6组最佳优化工况点,并拟合得到最优工况曲线,为螺旋槽结构的选择和优化提供了理论基础。提出的基于最优工况曲线法可解决正交试验的多目标优化问题,具有普适性。

离心式天然气压缩机作为天然气输送过程中的主要增压设备,其干气密封系统常见故障也得到了广泛关注。列举了天然气压缩机干气密封系统容易出现的故障类型以及注意事项,为离心式天然气压缩机的运行维护提供了理论指导。

气液混输条件下,密封腔内的含气率较高将会使得密封液膜中有气体进入,从而导致密封环出现“失稳”现象。为探讨含气介质对机械密封性能的影响,通过建立端面螺旋槽型液膜模型,基于Mixture多相流模型,对端面液膜中气液两相分布及机械密封密封性能进行研究。结果表明:液膜内气相体积分数随气泡直径的减小而增大;不同入口含气率下密封端面两相分布规律相近,含气率较高的位置出现在槽根半径处;随着含气率、转速、压差的升高,槽根处的压力随之升高,从而影响密封性能;在相同含气率、转速及压差下,随膜厚的增加,泄漏量增大,开启力减小,且较小的膜厚对工况参数的改变更为敏感,槽深与膜厚的相关性较强,优化机械密封结构时需综合考虑两者的影响。

针对多相介质泵用机械密封运行特点,为避免介质含气量大范围波动而影响密封端面润滑膜的稳定性,开展高压双端面机械密封结构和端面槽型设计,通过变形校核证明结构设计合理。建立密封端面深槽流体润滑模型,采用数值计算方法进行求解,分析不同开槽面积比的圆弧型槽的端面泄漏量、开启力等主要密封性能随工况参数的变化规律。结果表明:高压状态下,密封端面开深槽能有效改善端面润滑状态;端面泄漏量和开启力随着开槽面积比的增大而变大,同时压力越大,端面泄漏量和开启力也越大,但转速对端面泄漏量和开启力的影响不大。对设计的密封进行台架性能试验验证,获得的密封端面泄漏量变化规律与数值计算结果趋势保持一致。