基于温度场分析的水泵机械密封性能优化研究

摘要

机械密封是依靠弹性补偿机构弹力和液体压力挤压动环和静环两个密封面达到密封作用的旋转轴类密封装置。机械密封适用于各种流体，是目前泵、压缩机和搅拌机等旋转设备流体密封的核心装置。在火电厂锅炉系统中，给水泵具有良好的密封性能是锅炉系统安全稳定运行的前提，而在复杂工况条件和负载条件下，水泵的机械密封端面容易产生局部温度和应力过高现象，引起端面变形、闪蒸甚至出现热裂纹，严重影响机械密封系统的密封性能，甚至发生安全事故。因此，开展机械密封端面温度场—应力场的研究对于提高密封系统的整体性能是十分必要的。
　　本文以锅炉给水泵所用的M7N机械密封为研究对象，开展了机械密封环几何分析模型、载荷分析模型、热源分析模型的建立，对机械密封环温度场及应力场的密封特性及变工况下的温度场进行了理论分析，最后研发一整套机械密封试验台进行了试验验证和密封特性的优化研究。
　　1.构建机械密封端面温度场分析数学模型。简化密封结构，构建了几何分析模型，给出了密封端面主要几何参数的计算表达式;建立密封环载荷分析模型，并以动环为平衡体进行受力分析，推导了轴向力平衡方程;建立机械密封系统热源分析模型，并根据实际工况条件对热源模型进行简化，归纳得出:密封系统端面温度升高的热源主要是密封面间的摩擦热;在摩擦热计算公式的基础上分析得出密封环端面温升的影响因素。
　　2.基于ANSYS热—应力分析理论，对动环建立三维轴对称仿真计算模型，给出了端面摩擦热源强度、对流换热系数、热量分配系数的计算表达式，采用间接耦合的方法，得到密封端面的温度场分布规律、应力场分布规律，得到端面温度达到平衡所需要的时间。
　　3.对机械密封端面温度的影响因素进行了分析计算，结果表明:主轴转速、弹簧比压和介质压力都能不同程度的影响端面温升，弹簧比压对端面温升的敏感性最大，转速次之，介质压力影响最小。
　　4.机械密封性能的试验研究。对机械密封端面温度进行瞬态、多点测量，并将试验结果与数值模拟进行对比分析，结果显示测试结果与理论计算变化趋势相同，相对误差较小，验证了数值分析的正确性。
　　5.机械密封性能优化研究。以端面温度和泄漏量为评价指标，对变工况条件下的密封性能进行分析，指出同类型机械密封在高压、低速、介质压力0.15Mpa～0.2Mpa范围时具有较好的密封性能;并进行密封结构优化，结果显示:对动环进行倒角处理能有效消除应力集中，同时能有效降低端面温度，使密封端面温度分布更加均匀。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机械密封的发展进程

1．2．2 密封端面温度场的研究

1．2．3 密封测试技术的研究

1．3 研究的目的

1．4 研究的主要内容和方法

第2章 机械密封温度场分析的理论基础

2．1 概述

2．2 机械密封模型的建立及分析

2．3 机械密封端面载荷工况条件

2．4 机械密封温度场热源分析

2．4．1 端面温升的影响因素

2．4．2 机械密封热平衡方程的建立

2．4．3 机械密封热源的数学表达

2．5 本章小结

第3章 基于有限元温度场／热应力场的数值模拟

3．1 端面温度场导热微分方程

3．1．1 稳态温度场微分方程

3．1．2 瞬态温度场微分方程

3．2 端面热应力的计算原理

3．3 机械密封温度场计算模型的建立

3．3．1 温度场计算模型

3．3．2 密封材料及密封介质的性能参数

3．4 热边界条件的数值计算

3．4．1 密封端面热源强度的计算

3．4．2 对流换热系数的计算

3．4．3 密封副的热量分配

3．5 密封环温度场模拟结果及分析

3．6 密封环热应力场的模拟结果及分析

3．7 端面温升的影响因素分析

3．7．1 弹簧比压对端面温升的影响

3．7．2 介质压力对端面温升的影响

3．7．3 转速对端面温升的影响

3．7．4 冷却液中断时温度变化规律

3．8 本章小结

第4章 端面温升对密封性能影响的试验研究

4．1 机械密封试验装置的研制

4．1．1 试验目的

4．1．2 试验系统的组成

4．2 试验方法及内容

4．2．1 试验参数的测量

4．2．2 试验方案

4．3 试验结果与数值模拟对比分析

4．4 本章小结

第5章 密封端面温度场／热应力场的优化研究

5．1 机械密封优化的原则

5．2 密封性能优化

5．2．1 弹簧压力对密封性能的影响

5．2．2 介质压力对密封性能的影响

5．2．3 转速对密封性能的影响

5．3 结构优化

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的论文

致谢