Study on Dynamics Characteristics of Porous Matrix Hydrodynamic and Hydrostatic Mechanical Seals

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.009

Abstract

Abstract:

A porous hydrodynamic and hydrostatic mechanical seal was proposed by combining the porous material and L grooves（PL-MS）. A dynamic mathematical model of the seal was developed based on the perturbation method， by considering the mass transfer between the fluids in porous matrix and the lubrication films between seal rings， as well as the film cavitation. The perturbed equations were solved with the finite element method and the dynamic coefficients of the porous hydrodynamic and hydrostatic mechanical seal were numerically analyzed. The results show that the PL-MS generates greater film stiffness coefficients K_zz，K_αα，K_ββ than those of the ordinary porous mechanical seals and partial distributed porous mechanical seals due to the synergism of the hydrostatic effect of porous matrix and hydrodynamic effect of L grooves. It is a good way to increase the film stiffness coefficients K_zz，K_αα，K_ββ by increasing the porous permeability and optimizing the L groove geometrical parameters at the sacrifice of the stiffness coefficients K_αβ，K_βα and damp coefficients d_zz，d_αα，d_ββ .

Key words: dynamic coefficient, porous matrix, L-groove, permeability, perturbation method

摘要：

将多孔介质材料与L形流体动压槽相结合，提出了一种多孔介质动静压型机械密封结构，考虑密封端面润滑液膜与多孔介质内流体的传质作用及润滑的空化作用，基于摄动法建立了机械密封的动力学特性数学模型，采用有限单元法求解微扰方程，数值研究了多孔介质动静压型机械密封的动态特性系数。研究结果表明，在多孔介质的静压效应和L形槽的动压效应的协同作用下，相较于多孔介质机械密封和部分多孔介质机械密封，多孔介质动静压机械密封具有更大的刚度系数K_zz 、K_αα 、K_ββ，增大多孔介质材料的渗透率和优化L形槽的几何参数有助于增大液膜的刚度系数K_zz 、K_αα 、K_ββ，但会以牺牲刚度系数K_αβ 、K_βα 和阻尼系数d_zz 、d_αα 、d_ββ 为代价。

关键词: 动态系数, 多孔介质, L形槽, 渗透率, 摄动法

CLC Number:

TH117.2

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Figures/Tables 18

Fig.1 Geometrical model

Fig.2 Geometrical model of dynamic characteristics［19］

Fig.3 Finite element mesh

Fig.4 Mesh independence validation

Fig.5 Validation of numerical model

Tab.1 Geometrical and operating parameters

密封面内半径r_i/mm	34
密封面外半径r_o/mm	46
L形槽槽根内半径r_n/mm	39
槽数N_b	12
多孔质基体内半径r_n/mm	39
L形槽槽根外半径r_h/mm	41
动力黏度μ/（Pa·s）	2.62×10^-3
外侧密封压力 p_s/MPa	1.2
槽深h_g/μm	8
转速n/（r·min^-1）	10 000
内压p_i/MPa	0.1
多孔介质材料厚度H/mm	5

Tab.2 Sealing performance and dynamic coefficients of different face seals

静动态特性系数	多孔质机械密封（PF）	部分多孔质机械密封（PPF）	多孔质动静压机械密封（PLF）
开启力F₀/N	2.779×10³	2.406×10³	2.924×10³
泄漏率q_V /（mL·h^-1）	3.047×10²	2.223×10²	7.608×10²
K_zz /（N·m^-1）	1.186×10⁸	8.767×10⁷	1.037×10⁹
K_αα /（N·m·rad^-1）	7.640×10⁴	3.554×10⁴	7.962×10⁵
K_ββ /（N·m·rad^-1）	7.631×10⁴	3.504×10⁴	7.925×10⁵
K_αβ /（N·m·rad^-1）	-1.978×10⁶	-5.084×10⁶	-3.476×10⁶
K_βα /（N·m·rad^-1）	1.978×10⁶	5.084×10⁶	3.474×10⁶
d_zz /（N·s·m^-1）	4.933×10⁶	1.222×10⁷	8.281×10⁶
d_αα /（N·m·s·rad^-1）	3.777×10³	9.710×10³	6.544×10³
d_ββ /（N·m·s·rad^-1）	3.777×10³	9.710×10³	6.544×10³

Fig.6 Face seals with different structures

Fig.7 Effect of seal pressure on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.8 Effect of speed on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.9 Effect of initial film thickness on dynamic coefficients at different permeability

Fig.10 Effect of angle ratio of porous materials on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.11 Effect of thickness of porous material on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.12 Effect of inner radius angle ratio of groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.13 Effect of outer radius angle ratio of groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.14 Effect of inner radius of L groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.15 Effect of outer radius of groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

Fig.16 Effect of groove depth on dynamic coefficients at different permeabilities

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