高温热油泵机械密封端面温度场及传热特性的研究

摘要

高温热油泵作为石油石化行业的前处理或后处理工艺泵，具有输送介质温度高，介质危险性大等特点。近几年来，由机械密封失效导致的高温热油泵失效频繁发生，给石油石化行业带来了巨大的经济损失。而现阶段对解决高温热油泵机械密封失效、优化密封设计的基础理论研究相对较少，特别是在其端面温度场和热源热量等方面的研究成果更为匮乏。本研究主要内容包括：
　　⑴利用ANSYS软件，建立高温热油泵机械密封摩擦副有限元分析模型;在考虑机械密封端面间隙类型、力变形和热变形的基础上，采用热-结构耦合方法精确计算了机械密封摩擦副端面温度分布;计算结果表明，对于正锥收敛型间隙，对着密封端面间隙的增大，其端面温升逐渐升高。研究了结构参数（载荷系数、端面宽度、O形圈支撑位置）和工艺参数（转速、介质压力）对机械密封端面温度场影响规律;分析结果表明，密封端面温升随着载荷系数、端面宽度和转速的增加而升高;通过改变动环O形圈支撑位置，能够有效降低密封端面温升。
　　⑵基于机械密封端面微凸体高斯分布理论，推导端面微凸体承载特性参数计算方程;计算了机械密封端面微凸体在承载工况下的弹塑性交界面位置、塑性接触面积、弹性接触面积、实际接触面积以及实际压入深度。结合端面微凸体温度计算方程，计算了高温热油泵机械密封端面微凸体所能达到的最大温升，和ANSYS分析结果进行对比分析;采用算例验证了端面微凸体温升理论计算方法的正确性。
　　⑶利用GAMBIT软件，依据高温热油泵机械密封实际工况，建立高温热油泵机械密封腔热平衡数值模型。采用FLUENT软件，利用数值模拟方法计算了高温热油泵机械密封轴传导热、腔体传导热、摩擦热和搅拌热。分析了不同轴径和转速对高温热油泵机械密封传导热、摩擦热和搅拌热的影响规律。针对高温热油泵机械密封传导热大的工况特点，对其传导热系数提出一种修正拟合方法，对参考标准API682中的传导热系数进行修正。
　　⑷对比分析了集中式冲洗和分布式冲洗的密封环周围温度场、压力场和冲洗液速度场分布规律;得到集中式冲洗密封周围温升从冲洗口位置沿着转速一周温度逐渐升高，分布式冲洗密封周围温度场、压力场和冲洗液速度场分布比较均匀。基于不同轴径高温热油泵机械密封热源热量的数值模拟计算，分析了其热平衡冲洗量;研究了不同喉口衬套直径间隙的稳压作用;得到不同轴径喉口衬套直径间隙、压差和热平衡冲洗量的关系曲线。
　　⑸采用机械密封试验台，通过对试验密封外侧温度场的测量，对密封端面热-结构耦合温度场进行验证;通过对试验台轴扭矩的测量，对机械密封端面接触压力进行验证;通过试验得到试验密封的热源热量，对机械密封腔体数值模拟传导热、摩擦热和搅拌热进行验证。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景、目的以及研究意义

1．2 高温热油泵机械密封结构及其辅助系统特点

1．2．1 高温热油泵机械密封的主要结构

1．2．2 高温热油泵机械密封辅助系统

1．3 高温热油泵机械密封失效形式

1．4 高温热油泵机械密封研究成果

1．4．1 高温热油泵机械密封失效研究成果

1．4．2 机械密封数值传热理论成果

1．4．3 机械密封力、热变形研究成果

1．5 本课题的研究内容及技术路线

第二章 高温热油泵机械密封端面热-结构耦合研究

2．1 端面温度场热-结构耦合分析

2．1．1 不同端面间隙机械密封膜压分布

2．1．2 热-结构耦合分析方法

2．1．3 热-结构耦合有限元模型

2．1．4 热-结构耦合边界条件

2．2 端面温度场热-结构耦台分析结果

2．2．1 计算示例过程

2．2．2 热-结构耦合结果

2．3 端面温度场变化规律

2．3．1 机械密封热传导分析

2．3．2 结构参数对机械密封端面温度场的影响

2．3．3 工艺参数对机械密封端面温度场的影响

2．3．4 材料对机械密封端面温度场的影响

2．4 本章小结

第三章 基于高斯分布理论对端面微凸体温升和承载特性研究

3．1 端面微凸体温升计算方法

3．2 端面微凸体承载特性参数方程

3．2．1 端面微凸体分布方程

3．2．2 端面微凸体受力分析

3．2．3 承载特性参数方程

3．2．4 弹塑性变形计算流程

3．3 端面微凸体温升分析

3．3．1 端面微凸体温升计算

3．3．2 材料对微凸体温升的影响

3．4 端面微凸体温升算例验证

3．4．1 算例密封端面承载特性参数

3．4．2 不同转速端面微凸体温升

3．4．3 介质压力对机械密封端面承载特性参数的影响

3．4．4 机械密封端面温度测量

3．5 本章小结

第四章 高温热油泵机械密封腔传热特性数值研究

4．1 密封腔传热特性数值分析

4．1．1 密封腔热量来源

4．1．2 密封腔数值模型

4．1．3 密封腔边界条件

4．1．4 数值分析结果

4．2 高温热油泵机械密封热源热量分析

4．2．1 不同轴径机械密封热源热量

4．2．2 转速对机械密封传热量的影响

4．2．3 传导热系数的计算

4．2．4 传导热系数修正拟合

4．3 高温热油泵机械密封热平衡冲洗量

4．3．1 API682机械密封冲洗量计算

4．3．2 高温热油泵机械密封冲洗量计算

4．4 高温热油泵机械密封喉口衬套稳压作用研究

4．4．1 喉口衬套稳压效果

4．4．2 冲洗量对喉口衬套稳压效果的影响

4．4．3 喉口直径间隙对稳压效果的影响

4．4．4 喉口间隙、压差和热平衡冲洗量关系

4．5 本章小结

第五章 高温热油泵机械密封试验研究

5．1 高温密封试验目的

5．2 高温机械密封试验台

5．2．1 试验台密封主体系统

5．2．2 试验台密封辅助系统

5．3 机械密封试验

5．3．1 介质压力对密封端面温升的影响

5．3．2 转速对密封端面温升的影响

5．3．3 不同介质压力下的接触压力

5．3．4 摩擦热、搅拌热试验

5．3．5 摩擦热、搅拌热和传导热试验

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文内容总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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