深井工况下机械旋转密封副泄漏分析与试验研究

摘要

油气资源依然是21世纪最重要的能量来源。但是随着对浅层油气资源的不断开发,浅层的油气资源几近枯竭,而剩余的油气资源主要埋藏在深部地层。深部地层环境为高温高压环境,因此抗高温高压、高可靠性、高时效性的密封装置的研究十分重要。而对密封性能的研究直接有效的方法是进行试验,但是高温高压环境难以模拟且试验成本高,因此在高温高压条件下多次重复模拟试验研究缺乏可行性。
　　本课题基于流体动力学理论和分形接触模型理论,根据密封副所处的深井下的高温高压的工作环境,建立O形密封圈与主轴组成的旋转密封副的泄漏率预测数学模型;同时本课题研究了深井高温高压工况下密封副的泄漏率与密封副的表面形貌、密封副的磨损、主轴的装配同轴度误差和O形密封圈初始尺寸不同时的关系;根据分形理论,使用离散元方法建立O形密封圈与主轴接触的离散元模型;通过离散元软件PFC2D仿真求解出密封副表面形貌参数的变化规律;根据磨损理论,使用有限元方法分别建立深井高温高压工况下密封副的磨损有限元模型、考虑磨损因素时的主轴安装偏心时的密封副接触的有限元模型和O形密封副的初始压缩率不同时的有限元模型,通过有限元软件Ansys仿真求解出由于磨损而导致的密封副最大接触应力和密封副的压力梯度的变化规律,以及由于主轴安装偏心时而导致的密封副最大接触应力和密封副的压力梯度的变化规律和由于O形密封圈的初始压缩率不同时的密封副最大接触应力和密封副的压力梯度的变化规律。将模型的仿真后的计算结果代入密封副泄漏率预测数学模型中,求解出泄漏率的变化规律。
　　为了验证计算机仿真建模的正确性,本课题研究设计和搭建机械密封试验装置,同时设计试验装置的硬件系统和软件系统。完成机械试验装置的装配和调试后,通过机械密封试验装置测得密封副表面形貌参数的变化规律和密封泄漏率的变化数值;将机械密封试验装置测得密封副泄漏率数据与计算机仿真计算的密封副的泄漏率数据作对比,验证理论模型的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 深井工况下旋转密封副泄漏预测分析模型

2.1 引言

2.2 旋转密封副泄漏分析模型研究和建立的总体方案

2.3密封副表面接触离散元模型的建立

2.4密封副磨损的有限元模型建立

2.5密封副表面接触有限元模型的建立

2.6建立旋转密封泄漏率预测数学模型

2.7本章小结

第3章 深井工况下旋转密封副泄漏模型的仿真分析

3.1引言

3.2旋转密封副泄漏预测模型仿真分析的总体方案

3.3密封副表面接触离散元模型的仿真分析

3.4密封副磨损模型的有限元仿真

3.5 密封副表面接触有限元模型的仿真分析

3.6 本章小结

第4章 机械密封试验装置的总体方案设计

4.1引言

4.2机械密封试验装置的机械结构的设计

4.3机械密封试验装置数据采集控制部分的设计

4.4本章小结

第5章 机械密封试验装置性能测试与试验

5.1引言

5.2机械密封试验装置的装配

5.3数据采集控制系统性能测试

5.4试验结果分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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