基于渗流原理的机械密封静压渗漏特性分析

摘要

目前关于超高速燃气涡轮泵用机械密封旋转工况下的密封性能研究较为广泛，由于超高速燃气涡轮泵用机械密封长时间处于静压工况下，静压状态下的渗漏问题显得日益突出，对静压渗漏机理的研究迫在眉睫。静压工况下，机械密封两端面间流体处于混合润滑状态，采用适用于全膜润滑状态的雷诺方程描述密封端面间的流体流动具有一定的局限性。因此，本论文采用更适合描述混合润滑状态的多孔介质模型建立了接触式机械密封和开槽或开孔端面密封的静压渗漏模型，进行机械密封静压渗漏特性的理论分析以及相关的试验研究，为渗流理论在机械密封中的进一步应用奠定基础。
　　首先，本文基于多孔介质模型建立了静压渗漏率解析模型和数值求解模型。通过塑性接触模型求解了平衡膜厚，进而求得端面间孔隙率和渗透率。通过在NS方程中添加粘性阻力项，推导得到解析求解模型;由数值分析软件COMSOL中的自由流动和多孔介质耦合流动模型得到数值求解模型。
　　其次，以接触式机械密封为研究对象，分别用解析模型和数值模型求解了不同几何参数和物性参数对静压渗漏率的影响。结果表明，端表面粗糙度、介质压力、端面宽度、弹簧比压和介质粘度是影响机械密封静压泄漏率的主要因素，数值解和解析解的变化趋势一致;此外，搭建相关试验台进行了实验研究，验证了理论分析结果的可靠性。
　　最后，以圆环槽和椭圆孔机械密封端面为研究对象，利用数值模型分析了圆环槽和椭圆孔几何尺寸对静压渗漏特性的影响。结果表明，圆环槽槽数、槽宽和介质粘度对渗漏率有较大影响，而槽深、槽坝宽和槽区粗糙度对渗漏率影响非常小，椭圆孔的倾斜角、长短轴比和介质粘度对泄漏率有较大影响，孔深和开孔区粗糙度对泄漏率的影响较小。
　　本论文基于渗流原理建立了静压下机械密封端面间的多孔介质模型，系统分析了各几何参数和操作参数对渗漏特性的影响，为机械密封的渗漏特性分析开辟了新的思路，并对静压工况下的机械密封端面几何优化设计具有一定的理论借鉴意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景、目的及意义

1．2 超高速燃气涡轮泵用密封型式研究现状

1．2．1 接触式机械密封研究现状

1．2．2 非接触式机械密封研究现状

1．3 密封端面形貌对密封性能的影响

1．4 密封界面间泄漏通道模型的研究现状

1．5 存在问题

1．6 研究内容

第2章 基于多孔介质的机械密封渗流理论模型

2．1 孔隙率和渗透率

2．1．1 粗糙表面模型

2．1．2 孔隙率

2．1．3 渗透率

2．1．4 平衡膜厚

2．2 解析模型

2．3 数值模型

2．3．1 数值模型建立

2．3．2 网格密度对计算结果的影响

2．4 本章小结

第3章 基于多孔介质模型的接触式机械密封静压渗漏特性分析

3．1 几何参数和操作参数对平衡膜厚的影响

3．2 几何参数和操作参数对孔隙率的影响

3．3 几何参数和操作参数对渗透率的影响

3．4 密封端面速度分布和压力分布

3．5 几何参数和操作参数对渗漏特性的影响

3．5．1 端表面粗糙度的影响

3．5．2 介质压力的影响

3．5．3 弹簧比压的影响

3．5．4 端面宽度的影响

3．5．5 介质粘度的影响

3．6 本章小结

第4章 基于渗流原理的圆环槽和椭圆孔端面机械密封静压渗漏特性分析

4．1 同心圆环槽端面渗漏特性分析

4．1．1 几何模型

4．1．2 膜压分布和速度分布

4．1．3 开槽区粗糙度σg对泄漏率的影响

4．1．4 槽深hg对泄漏率的影响

4．1．5 槽数ng对泄漏率的影响

4．1．6 槽宽W对泄漏率的影响

4．1．7 槽坝宽Wd对泄漏率的影响

4．1．8 开槽区位置r1对泄漏率的影响

4．1．9 介质粘度对泄漏率的影响

4．2 倾斜微孔端面渗漏特性分析

4．2．1 几何模型

4．2．2 膜压分布和速度分布

4．2．3 倾斜角α对泄漏率的影响

4．2．4 长短轴比γ对泄漏率的影响

4．2．5 孔深hP对泄漏率的影响

4．2．6 开孔区粗糙度σp对泄漏率的影响

4．2．7 介质粘度对泄漏率的影响

4．3 本章小结

第5章 机械密封静压泄漏率的试验研究

5．1 实验台架以及实验设备

5．1．1 实验台架

5．1．2 补偿式微压计

5．1．3 密封腔压力供给及测量

5．2 泄漏率的测量方法及收集空腔体积测量

5．2．1 泄漏率的测量方法

5．2．2 收集空腔体积的测量

5．3 介质压力和表面粗糙度对泄漏率的影响

5．3．1 压力对泄漏率的影响

5．3．2 粗糙度对泄漏率的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要完成的工作

6．2 结论

6．3 创新点

6．4 展望

参考文献

符号说明

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果