往复压缩机迷宫密封流场分析及典型密封结构优化设计研究

摘要

近年来，随着非接触式密封的迅速发展，机械制造业越来越青睐采用非接触式密封方式代替传统的接触密封方式，其中应用最普遍的是迷宫密封，被广泛用于石油化工、煤制气等工业机械设备中。迷宫密封方式使得机器在工作过程中避免了过度接触摩擦，具有毋需润滑、环保无污染等优点，因此迷宫压缩机可以进行洁净气体甚至有毒气体的压缩和输送。然而迷宫密封的不足之处在于非接触方式必然会产生泄漏，且泄漏量的多少对机器的工作效率及能量消耗有着重要影响，由于迷宫内部流场变化和迷宫结构尺寸大小对泄漏量的影响显著，所以对迷宫密封结构进行内部流场分析和结构优化有着重要意义。
　　本文针对6K-375MG迷宫压缩机中迷宫密封结构建立了二维与局部三维模型，准确选取了数学计算模型，采用CFD软件对其模型进行了网格划分和数值模拟，细致分析了典型迷宫密封结构内部流场情况，最后完成其优化研究。主要研究工作体现为以下内容:
　　1、回顾了迷宫密封的理论研究现状，重点介绍了迷宫压缩机及直通型迷宫密封的相关理论。
　　2、确定了初始迷宫密封的物理模型以及计算流体力学模型，应用FLUENT软件模拟了初始迷宫结构的内部流场，从三维角度和涡量进一步揭示了气体在该迷宫通道中的流动本质。
　　3、对影响迷宫密封性能的几种结构因素进行了数值模拟对比，通过对其内部流场的观察分析，探讨了不同密封结构尺寸对密封性能的影响，优化了该典型迷宫密封结构尺寸，其中包括间隙宽度、空腔深度、空腔宽度、深宽比、齿数等，有效地减少了泄漏量，为工程实践设计提供了可靠参考。
　　4、对最终优化模型进行了数值模拟，将模拟得到的泄漏量与经验公式计算结果进行对比，分析了优化前后的迷宫密封结构密封性能的优劣，结果证明优化后的密封结构的密封效果明显好于初始结构。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 迷宫活塞压缩机简介

1．2．1 迷宫活塞压缩机的基本结构

1．2．1 迷宫与非迷宫压缩机的特点

1．3 迷宫密封理论概述

1．3．1 迷宫密封机理

1．3．2 迷宫密封的类型

1．3．3 迷宫密封的特点及应用

1．4 迷宫密封的研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．5 本文的主要研究内容

第2章 CFD软件及其分析方法简介

2．1 CFD数值模拟软件介绍

2．1．1 FLUENT软件简介

2．1．2 Gambit软件简介

2．2 计算流体力学的理论基础

2．2．1 流体流动分类

2．2．2 流体流动描述方法

2．2．3 流体力学基本方程组

2．3 迷宫密封几何模型的建立

2．4 数值计算模型的选定

2．4．1 数值模拟计算的过程

2．4．2 数值模拟计算模型的假设

2．4．3 湍流模型

2．4．4 网格划分

2．4．5 模拟流场计算方法

2．4．6 性能指标的选择

2．4．7 模型物理参数、边界条件的设置

2．4．8 计算结果收敛准则

第3章 迷宫压缩机迷宫密封流场分析

3．1 迷宫密封内二维流场分析

3．1．1 几何模型的确立

3．1．2 网格划分及边界条件的设置

3．1．3 迷宫压缩机的基本参数

3．1．4 模拟结果与分析

3．1．5 湍流涡旋动能耗散分析

3．2 迷宫密封内三维流场分析

3．2．1 几何模型的确立

3．2．2 网格划分及边界条件的设置

3．2．3 模拟结果与分析

3．2．4 涡量的输运和三维湍流的能量耗散

3．3 二维流场与三维流场的对比

3．4 本章小结

第4章 典型密封结构优化设计研究

4．1 密封间隙宽度的优化

4．1．1 计算模型的确立

4．1．2 计算结果及分析

4．2 空腔结构形状的优化

4．2．1 计算模型的确立

4．2．2 计算结果及分析

4．3 空腔深度、深宽比及齿形夹角的优化

4．3．1 计算模型的确立

4．3．2 计算结果及分析

4．4 空腔宽度的优化

4．4．1 计算模型的确立

4．4．2 计算结果及分析

4．5 齿数的优化

4．6 气缸侧密封齿对整体迷宫密封结构的影响

4．6．1 气缸侧密封齿大小对机器磨损的影响

4．6．2 气缸侧密封齿形状对泄漏量的影响

4．7 本章小结

第5章 最终优化结果分析

5．1 最终优化结果的确定

5．2 最终优化结果的模拟分析与对比

5．2．1 计算模型的确立

5．2．2 计算结果及分析

5．3 最终优化结果的泄漏量计算

5．3．1 “粗糙间隙”计算方法

5．3．2 Stodala计算方法

5．3．3 泄漏量对比分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢