水下航行器尾轴球面机械密封性能及试验研究

摘要

尾轴机械密封是水下航行器的重要装置，所处环境多样、工况复杂、条件苛刻，工作行为具有强烈的系统依赖性、时变性，对航行器的安全性、可靠性，以及生存能力具有非常重要的影响。目前，尾轴采用平面机械密封，该密封在螺旋桨重力作用、轴系校中不佳、轴承磨损、轴段弯曲、航行环境，以及振动等因素的影响下，易导致动、静环密封面不同轴，出现开口、偏磨等现象，引起密封面局部温度上升、磨损加剧、泄漏量增加，影响了密封性能及使用的安全性与可靠性。随着各类型水下航行器向超大型化、高科技现代化发展，部分动力装置功率增大，轴系轴径加粗，适应水深大大增加，使得尾轴机械密封的工作要求更加苛刻，技术难度也越大，要求密封装置结构更加优化、可靠并具有良好的静环跟随能力。 为解决水下航行器平面机械密封使用过程中暴露出的突出技术问题，须改变此类机械密封密封面形状。以球面机械密封为研究对象，开展密封面形状、接触性能、密封环结构参数，以及密封摩擦学特性和密封性能等方面的研究工作。 在力学分析基础上，应用相关理论公式和ANSYS有限元方法，分别建立球面机械密封与平面机械密封的力学模型和二维热-结构耦合模型，分析比较两种机械密封的密封面的接触面积、泄漏量、密封准数和pv值，以及探讨两种密封面形状对接触压力、温度，以及变形等主要密封性能的影响，论证平面机械密封面被球面机械密封面取代的可行性。 在尾轴轴线偏移及球面机械密封处于干摩擦状态这一特殊工况下，应用ANSYS有限方法，建立球面机械密封三维有限元模型，讨论大潜深环境条件下，尾轴轴线垂向偏斜对球面机械密封性能（包括接触压力、热流密度、温度、变形）的影响规律，探讨球面机械密封端面的随动性和自适应能力。 应用流固耦合数值仿真方法，在流体摩擦状态和计入尾轴垂向和轴向偏移及密封环弹性变形情况下，推导球面机械密封面间隙静压流动微分方程及密封面间隙表达式，建立离散化模型，提出基于流固耦合的水膜压力分布求解方法；推导球面机械密封面的间隙动压效应微分方程，并提出一种基于有限差分法的动压迭代求解方法，研究水压、弹性变形、偏移等主要因素对球面机械密封的密封性能（包括水膜压力、密封面间隙、摩擦力矩、动压力、泄漏）的影响规律。 应用理论公式及经验公式推导了球面机械密封的密封面宽度数学表达式，并应用ANSYS有限元方法，建立球面机械密封有限元模型，讨论密封面的球半径及静环内、外径等结构参数对密封面的最大接触压力、最高温度、变形状况的影响规律。 为了考察球面机械密封的摩擦学特性与密封性能，应用自行研制的球面机械密封试验台，在不同的水压、弹簧压力、转速下，开展了密封的摩擦力矩、摩擦因数、温度、水膜压力和泄漏的测试试验，以验证球面机械密封有限元模型的合理性和仿真计算的可靠性，探讨球面机械密封性能的特征。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究动态

1.3 研究目标

1.4 研究内容

第2章 球面与平面机械密封性能分析

2.1 球面与平面密封主要参数分析

2.2 球面与平面密封二维有限元建模

2.3 球面与平面密封的仿真结果及分析

2.4 小 结

第3章 基于尾轴偏移的球面机械密封接触性能研究

3.1 球面机械密封三维几何模型

3.2 三维热-结构耦合有限元模型

3.3 热-结构耦合有限元分析

3.4 小结

第4章 基于流固耦合的球面机械密封性能研究

4.1 密封面物理模型简化

4.2 密封面间隙流场数学模型

4.3 密封面间隙流固耦合模型

4.4 小结

第5章 密封环结构参数对密封性能的影响

5.1 密封面宽度

5.2 静环高度H

5.3 球面密封性能影响因素讨论

5.4 小结

第6章 球面机械密封摩擦学特性及密封性能试验

6.1 试验设备

6.2 试验方法

6.3 试验内容

6.4 试验结果与分析

6.5 小结

第7章 结论与展望

7.1 主要成果和结论

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士期间的研究成果及参加的科研项目