高速泵机械密封多场耦合分析与结构改进

摘要

机械密封在高速运转下会产生过高的粘性剪切热，导致密封环温度过高，热力变形较大，破坏端面液膜的稳定性，在很多大型设备中已经成为一个急需解决的关键问题，以典型高速泵机械密封为研究对象，对现有结构的密封性能进行评估，在多场耦合分析的基础上，开展有针对性的结构改进，达到提高其可靠性和稳定性的目的，为高速泵用机械密封的改造设计提供理论支持。
　　首先，针对密封在运转过程中温度过高，液膜容易汽化，从而出现密封稳定性降低，容易出现早期失效等现象，基于流体力学和润滑理论，建立起包含密封环、微米级润滑液膜以及密封腔在内的三维跨尺度多物理场耦合模型，耦合求解连续性方程、N-S方程及能量方程，对现有结构进行温度场、压力场、流场及热力变形分析。研究表明:密封端面最高温升达到54.9℃，最高温度出现在静环靠近内径处，现有结构密封腔内的流动状况不理想，热力耦合变形导致端面间隙沿泄漏方向呈收敛状，并在端面内径处出现局部汽化现象;
　　其次，针对现有结构，基于上述分析理论和方法，对动环、静环以及密封腔等三个组件进行结构改进，结果表明:机械密封采用静环六孔结构、楔形面结构、导流套以及泵效环均有一定的降温效果，其中泵效环的降温效果最为明显，降温幅度达到7℃;
　　最后，为验证数值模拟结果的可靠性与正确性，搭建了密封实验台并对其中几种典型改进结构进行了实验研究。在不同密封介质循环流量、转速、介质压力条件下进行对比实验，结果表明和理论基本符合，其中静环六孔结构降温幅度为2℃，泵效环降温幅度达5℃;进一步的实验研究了摩擦副配对对密封环温度的影响，结果表明浸渍树脂石墨要优于普通石墨，而碳化硅相比于钼合金则具有更好的热特性。
　　本文针对目前高速泵机械密封所面临的环境温度过高、液膜不稳定等因素造成的早期密封失效症状，通过建立三维耦合传热模型，对现有结构进行系统全面的多场耦合分析，给出了对现有结构密封的评价，并从整体结构出发，对动环、静环及密封腔等部件进行了结构改进，有关结果得到了实验验证。在计算过程中采用多场耦合分析计算，避免了传热经验公式的误差;考虑密封系统整体结构进行计算与结构改进，完善了液膜密封设计方法，为高速泵液膜机械密封的改造设计提供了理论基础和技术支持。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机械密封热流固多场耦合理论

1．2．2 机械密封端面润滑和液膜传热理论

1．2．3 机械密封性能实验研究

1．2．4 机械密封强化散热技术研究

1．2．5 机械密封端面摩擦副配对研究

1．3 存在的问题

1．4 研究内容与方法

第2章 高速泵机械密封热流固多场耦合数值分析

2．1 几何模型

2．2 数学模型

2．2．1 密封参数

2．2．2 控制方程

2．2．3 CFD基本理论

2．3 热流固多场耦合分析

2．3．1 软件前处理与计算参数设置

2．3．2 密封环温度场分析

2．3．3 端面液膜压力场分析

2．3．4 端面液膜相态分析

2．3．5 密封腔内流场分析

2．3．6 Workbench热力耦合分析

2．4 工况参数对密封系统温度的影响分析

2．4．1 冷却冲洗量的影响

2．4．2 转速的影响

2．5 本章小结

第3章 高速泵机械密封的结构改进

3．1 结构改进目标与改进形式

3．2 结构改进及其实效分析

3．2．1 改进结构对改善密封腔内流场的作用

3．2．2 改进结构对降低温度的作用

3．3 泵效环结构在强化密封端面散热的研究

3．3．1 泵效环的工作原理与分类

3．3．2 泵效环的选型设计

3．3．3 泵效环对强化端面散热的作用

3．4 本章小结

第4章 高速泵机械密封性能实验

4．1 机械密封实验系统介绍

4．1．1 机械密封主系统装置

4．1．2 机械密封辅助系统

4．2 结果与讨论

4．2．1 结构改进前实验工况的温度场数值模拟

4．2．2 结构改进前工况参数对温度的影响

4．2．3 结构改进前实验与理论结果的对比

4．2．4 改进结构的降低温度效果实验分析

4．3 摩擦副配对对密封系统温度的影响

4．3．1 摩擦副材料属性

4．3．2 动环材料对密封系统温度的影响

4．3．3 静环材料对密封系统温度的影响

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果