单列双向螺旋槽干气密封的性能研究

摘要

与传统的轴端密封相比，干气密封具有介质泄漏量少、端面磨损小、能耗低、运行寿命长和可靠性高等优点。目前，该类密封已被广泛用于离心式压缩机、离心泵、膨胀机、气体透平机以及其它高速高压机器中。近年来，随着干气密封技术的不断发展，出现了新的密封槽型--单列双向螺旋槽干气密封。该槽型不但能产生较好的流体动压效应，而且旋转方向不受限制，可以双向旋转，避免了由于反转及开、停车时造成的密封失效，从而使单列双向螺旋槽干气密封的应用范围更加广泛，大大提高了它的研究和使用价值。 本文应用计算流体力学（CFD）软件对单列双向螺旋槽干气密封端面间流体三维流动及温度分布进行了数值计算。选取气膜为研究对象，建立了三维模型，然后通过网格划分实现了从微观尺度到宏观尺度的快速过渡，通过求解三维N-S方程，得到了气膜的压力分布、速度矢量分布、质点轨迹、涡量分布等，并在等闭合力的假设下，动环槽形几何结构参数对密封性能的影响进行了理论研究；然后求解能量方程，得到气膜内及动、静环内的温度场的分布，及端面温升的影响因素，并考虑了温度对粘度的影响，得到了变粘度情况下的温度分布；文章还分析了压力、转速等因素对密封性能及温度场的影响，并与单向螺旋槽密封进行对比分析。 通过模拟分析，证明了单列双向螺旋槽干气密封在不同工况下的良好的动压效果和密封效果；根据流体的流动状况，从流动的角度解释了端面热量的产生过程，表明流体膜温度升高主要是在高速旋转工况下，由流体内部的粘性剪切作用及压力梯度作用引起的。这对实验研究有一定的辅助指导作用，并为密封结构设计及性能的优化提供参考，为后续密封环的变形计算奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章前言

第二章文献综述

2.1机械密封发展历史及研究进展

2.2干气密封流场流动的研究状况

2.2.1 论研究状况

2.2.2数值分析法研究状况

2.2.3实验法研究状况

2.3干气密封温度场的研究状况

2.3.1 国外研究进展

2.3.2 国内研究研究进展

2.4干气密封不同槽型的发展及应用

2.5研究现状总结

第三章干气密封基本理论及计算方法

3.1机械密封的密封机理

3.1.1机械密封的基本结构

3.1.2机械密封基本元件的作用

3.1.3机械密封泄漏的途径

3.2干气密封的工作原理及主要性能参数

3.2.1 工作原理

3.2.2受力分析

3.2.3主要性能参数

3.3干气密封的流动与传热理论

3.3.1计算流体力学概述

3.3.2物理模型

3.3.3控制方程的建立

3.4控制方程的求解

3.4.1计算区域的离散

3.4.2初始条件和边界条件

3.4.3控制方程基于有限体积法的离散化

3.4.4离散方程的求解

3.4.5误差分析

3.5 FLUENT软件简介

3.6本章小结

第四章单列双向螺旋槽干气密封端面流场数值分析

4.1 单列双向螺旋槽气体端面密封模型

4.2端面间隙流体流动状态判断

4.3端面流场的数值计算

4.3.1模型建立

4.3.2网格划分

4.3.3边界条件

4.3.4解算器的设置

4.4流场结果讨论

4.4.1 压力分布

4.4.2速度分布

4.4.3影响端面流体流动的主要因素

4.5气体密封性能分析

4.5.1 开启力和闭合力

4.5.2与螺旋槽气膜特性比较

4.5.3泄漏量

4.5.4摩擦力

4.6端面槽形几何参数的影响

4.6.1 螺旋角(φ)的影响

4.6.2槽深膜厚比Hg的影响

4.6.3槽长坝长比γ的影响

4.7本章小结

第五章单列双向螺旋槽干气密封温度场数值计算

5.1干气密封温升的简化分析

5.2干气密封传热计算

5.2.1能量方程

5.2.2热边界条件

5.2.3对流传热系数的计算

5.3端面温度场的数值计算

5.3.1 已知条件和物质属性

5.3.2模型建立及计算区域的选取

5.3.3网格划分

5.3.4边界条件

5.4温度场计算结果分析

5.4.1端面温度分布

5.4.2温度分布的影响因素分析

5.4.3变粘度温度场的计算

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致 谢