核主泵用流体静压型机械密封多场耦合模型与性能分析

摘要

端面开收敛锥度的流体静压型机械密封是核主泵主轴密封的一种典型密封型式，其稳定性和可靠性严重影响了主泵的长周期安全稳定运行，设计难度较高。目前国外此类产品的相关技术已十分成熟，而我国尚不具备其设计加工能力。由于密封组件在超高压工况下运行，密封端面的热力耦合变形和流体静压润滑作用对密封性能的具有重要的影响作用；且组件之间的非线性接触问题的存在，使得密封环端面的变形分析变得相对困难。针对此问题，论文开展了如下几方面的研究，以期为此类流体静压型机械密封的设计提供技术指导：
　　 首先，考虑密封环组件(密封环、密封环座、夹紧环、辅助O型圈等)之间的非线性接触作用，采用商业有限元软件建立了动、静密封环组件的有限元轴对称分析模型，得到了不同密封压力下动、静密封环在复杂作用关系综合影响下的非线性位移约束边界条件，为后续准确预测密封性能奠定了基础。
　　 其次，以密封动静环和流体润滑膜为研究对象，考虑润滑液膜的粘温粘压效应和密封端面的热力变形，建立了二维轴对称流固热力多场耦合模型，引入上述位移约束边界条件，采用迭代算法交叉运用有限差分法和有限单元法分别求解润滑方程、能量方程、热传导方程和变形方程等控制方程。
　　 最后，基于所建立的流固热多场耦合模型，对密封性能进行了参数化研究，分析了密封环底边辅助0型密封圈位置、螺钉力、平衡比、端面锥角结构、密封压力等对密封性能的影响。结果表明，位移约束边界条件对密封性能有显著影响；液膜与密封环端面粘性剪切产生的热量主要由泄漏液体带走，压力变形较热变形对端面变形影响更大；对螺栓力、主要几何参数以及操作压力对密封性能的影响进行了分析，得到的结论对机械密封结构设计具有指导意义。