端面微凹腔液体机械密封内流场数值模拟及试验研究

摘要

机械密封以其多方面的优越性在流体机械等领域得到广泛应用。随着工业快速发展和环保、节能、安全、高效等要求的不断提高，改善机械密封性能，提高使用寿命已是多年来国内外学者密切关注和研究的主要课题。为了提高机械密封端面间的密封、润滑性能，人们将表面造型技术应用于机械密封，并已成为当前密封研究的热点之一和今后研究和发展的新方向。
　　 本文以带有端面微凹腔造型的液体机械密封为研究对象。利用先进的激光表面微造型技术(LST)在SiC密封环表面进行微造型，得到的具有规则微凹腔的密封端面。基于具有微凹腔端面的密封间隙几何结构特征和流体流动理论，分析密封润滑机理，建立内部流体动压理论模型。应用Fluent软件对密封间隙内流场进行数值模拟，得到不同转速、不同介质压力条件下的液体膜压力、速度和剪切力的分布。深入分析了液体膜形成和内部流动特征，以及对密封、润滑性能的影响关系，并通过流体机械密封性能试验结果进行对比、分析和验证。研究表明：端面微凹腔造型的密封环产生动压效应可使摩擦明显降低；本研究范围内，相同介质压力下，在2250rpm附近可获得最大动压效应，试验与模拟结果均说明此时摩擦扭矩最小；单凹腔时产生的动压效应随着介质压力的增大而增大，未出现空化现象，但存在低压区，使沿泄漏方向(y方向)通过凹腔的液流速度降低，有利于减少泄漏；相邻凹腔之间存在相互影响，凹腔效应的叠加会使动压效应更加明显；凹腔的存在使凹腔径向下游出现剪切力明显降低区域；凹腔效应对于低介质压力下剪切力的影响比高介质压力时明显，即随着介质压力的增大，端面微凹腔产生的润滑优势相对减弱。端面平均剪切力随介质压力的上升而增大，这是由于密封端面的闭合力增大，密封端面所承受的比载荷增大所导致。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2带有微凹腔机械密封的研究现状

1.3论文的研究目的及研究内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

第二章液体机械密封端面微造型及模型建立

2.1密封润滑机理分析

2.2密封端面微凹腔的加工

2.2.1表面激光加工工艺试验

2.2.2表面激光微造型工艺参数

2.3密封端面内部流动计算模型建立

2.3.1密封面微凹腔几何模型

2.3.2微凹腔控制单元的Pro/E造型

2.3.3微凹腔造型端面内流流态确立

2.3.4理论计算模型

本章小结

第三章带有微凹腔密封端面的内流场数值模拟

3.1数值计算软件简介

3.1.1计算流体力学(CFD)软件

3.1.2解决问题的步骤

3.2端面微凹腔内流场的数值求解

3.2.1网格的划分与生成

3.2.2边界条件的确定

3.2.3离散方程求解

3.3单凹腔模拟结果分析

3.3.1动压分布

3.3.2总压分布

3.3.3速度分布

3.3.4流体剪切力分布

3.4多凹腔模拟结果分析

3.4.1径向凹腔的几何模型与网格划分

3.4.2径向凹腔模拟结果分析

3.4.3周向凹腔模拟结果分析

本章小结

第四章端面微造型机械密封性能实验

4.1试验装置和试验内容

4.2试验结果分析

4.3与模拟结果对比分析

本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的论文及专利