螺旋槽柱面密封微间隙气膜流场分析及密封环热力耦合研究

摘要

本课题在国家自然科学基金项目“柱面螺旋槽干气密封润滑气膜动力学研究”（编号：51569012）的资助下完成。随着机械行业的快速发展与制造业市场的需求，轴端密封旋转类机械不断突破设计工况，逐步向极端工况发展，这对密封更是一项巨大的挑战，在传统的迷宫密封与刷式密封中，由于流体激振、密封件自身的磨损和转子系统干磨等多种因素导致密封泄漏量增大、稳定性变差、以及寿命变短。而近年来发展的新型柱面螺旋槽干气密封具有泄漏少、磨损小、寿命长、结构紧凑等优点，可以很好的适用于各种极端工况，本文基于热流固耦合理论对柱面气膜密封展开以下研究。 利用SolidWorks建立了浮环-轴套-微间隙螺旋槽气膜的整体模型。基于计算流体动力学理论，利用Fluent软件求解了微间隙螺旋槽气膜的三维流场及温度变化，并探讨了转速、压差对微间隙气膜压力、温度、泄漏量及开启力的影响。结果表明：在动压效果最明显的区域压力和温度相对较高，随着压差的增大，气膜压力、泄漏量及开启力也在不断的增大，而压差对温度场影响却不大。随着转速的增加，气膜压力、温度及开启力都在不断的增大，泄漏量呈微增趋势。在此基础上，通过改变微间隙气膜流场的平均气膜厚度、长度、偏心、槽长、槽数、槽深，螺旋角度数，综合对比开启力、泄漏量，刚度等密封性能参数的影响得出其最佳选择范围：平均微间隙厚度为15μm及以下，轴向气膜长度的最佳选择为28-52mm，气膜偏心最优选择为0.55-0.75，槽数范围选择为16-22，槽长选择为26-30mm，最佳螺旋角度数为28-42°。 通过Mesh网格划分方式对密封环浮环和轴套进行不同面全局网格尺寸划分，将Fluent和Mechanical APDL进行耦合联立，分别对浮环和轴套进行三维力应变、热应变、热力耦合应变求解，并探究了不同压差、转速对密封环分别在力、热、热力耦合应变下的影响，以及对密封环力应力、热应力、耦合应力的影响。结果得出：热力耦合应变中，热耦合占主体地位，密封环热耦合发生的应变尺度远大于力耦合应变。浮环和轴套主要受热应力的影响，最大应力都出现在被约束的位置，为二次应力，且远远小于材料的许用应力，故对应变影响不大，浮环的材料应该选择具有自润滑性的石墨，可以有效的减小摩擦，有利于密封系统的稳定，对于动环轴套应选择弹性模量大、热膨胀系数低的碳化硅材料。影响热应变的主要因素为材料的热膨胀系数，热膨胀系数越低，应变越小。热力耦合应变主要受转速的影响，压差影响不大。

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附表索引

符号注释表

第1章 绪论

1.1 课题的研究的背景及意义

1.2 不同密封结构的对比

1.3 国内外研究现状

1.3.1 柱面气膜国内外研究进程

1.3.2 密封环热流固耦合国内外研究进程

1.4课题的主要研究内容及方法

1.5课题的创新点

第2章 基本方程的建立

2.1 固体控制方程

2.1.1 固体平衡微分控制方程

2.1.2 固体守恒方程

2.1.3 固体区域能量方程

2.2 流体控制方程

2.2.1 流体的动量守恒方程

2.2.2 流体的质量守恒方程

2.2.3 流体的能量方程

2.3 流固耦合控制方程

2.3.1 直接耦合式算法

2.3.2 分离式解法

2.3.3 流固耦合方法的介绍

2.4 本章小结

第3章 柱面微间隙气膜流场分析

3.1 密封几何参数的确定

3.2 气膜流域

3.3 ICEM网格划分

3.4 网格无关性验证

3.5 边界条件确定

3.5.1 流场流态判断

3.5.2 基本边界条件设置

3.5.3 耦合面边界条件的确定

3.5.4 粘性剪切热的计算

3.5.5 对流换热系数的确定

3.6 微间隙气膜流场温度及压力的计算结果与分析

3.6.1 不同压差下微间隙气膜压力场分析

3.6.2 不同压差下微间隙气膜温度场分析

3.6.3 压差对泄漏量及开启力的影响

3.6.4 不同转速下微间隙气膜压力场分析

3.6.5 不同转速下微间隙气膜温度场分析

3.6.6 转速对泄漏量及开启力的影响

3.7 微间隙气膜平均厚度对干气密封的影响

3.7.1 不同气膜厚度下的泄漏量及开启力分析

3.7.2 膜厚对气膜刚度的影响

3.7.3 膜厚对刚漏比、开漏比的影响

3.8 不同气膜轴向长度下泄漏量及开启力分析

3.9 不同气膜偏心下泄漏量及开启力分析

3.10 不同螺旋槽槽数下泄漏量及开启力分析

3.11 不同槽长下泄漏量及开启力分析

3.12 不同槽深下泄漏量及开启力分析

3.13 不同螺旋角度数下泄漏量及开启力分析

3.14 本章小结

第4章 应力应变分析

4.1 密封环模型的建立及网格划分

4.2 材料属性的确定

4.3 力学边界条件的确定

4.4 密封环力应变分析

4.4.1 力耦合下的应变分析

4.4.2 力耦合下的应力分析

4.4.3 压差对密封环力应变的影响

4.4.4 转速对密封环力应变的影响

4.5 密封环热应变分析

4.5.1 热耦合下的应变分析

4.5.2 热耦合下的应力分析

4.5.3 转速对热应变的影响

4.5.4 压差对热应变的影响

4.6 密封环热力耦合应变分析

4.6.1 热力耦合下应变分析

4.6.2 热力耦合下应力分析

4.6.3 压差对热力耦合应变的影响

4.6.4 转速对热力耦合应变的影响

4.7 本章小结

结论与展望

1.结论

2.展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士研究生期间发表论文