螺旋槽干气密封流固耦合分析

发布时间：2017-11-02 11:10

  本文关键词：螺旋槽干气密封流固耦合分析

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【摘要】：螺旋槽干气密封在非接触运转过程中,气膜流动和密封环变形之间是相互耦合作用的。为了减少了干气密封研究时限定假设的个数,提高计算精度,以期得到更符合干气密封实际工况的性能参数,从而为干气密封的优化设计提供理论依据。本文主要采用理论分析和数值模拟两种方法对螺旋槽干气密封的流固耦合进行分析研究,同时还分析了密封气体经过密封间隙时产生的焦耳-汤姆逊效应。假设气膜存在平行和倾斜两种情况,利用求解气膜压力控制方程对螺旋槽干气密封进行理论分析。对螺旋槽干气密封数值模拟进行网格独立性验证,在该基础上通过Fluent软件对锯齿形螺旋槽和普通螺旋槽干气密封气膜流场进行数值模拟,分别比较两种槽型的气膜压力分布、开启力、泄漏率、开漏比和刚度等参数,根据使用条件的不同,两种槽型的性能各有优劣。假设静环变形是轴对称且为线性变形,根据结构参数和操作条件对静环进行受力分析,采用皮采诺圆环理论计算静环的偏转角,即静环的变形量,结果表明：静环的各种变形量都随着密封间隙的增大而减小。当膜厚为2.03 μm时,静环的最大变形量将近密封间隙本身的两倍；当密封间隙为2.6448 μm时,静环的最大变形量与密封间隙接近。说明在螺旋槽干气密封分析中,静环的变形是不容忽视的。假设静环变形是轴对称且为线性变形,对螺旋槽干气密封的气膜与静环进行流固耦合理论分析,得到静环变形与气膜变化的规律,即当转角不断增大时,最小间隙不断减小,而泄漏率不断增大。利用ANSYS Workbench平台联合Fluent和Mechanical软件对螺旋槽干气密封进行流固耦合数值模拟,通过对流固耦合解析解与数值解进行对比分析,结果表明：对静环的变形进行分析时,可直接以静环的总变形量代替轴向变形量。由于流固耦合数值模拟得到的最大变形量与解析计算的最大变形量相差不是很大,说明在对静环端面的变形进行理论分析时对其作线性处理具有一定的指导意义。当密封环选择均为硬材料配合时,假设密封环不发生变形对干气密封进行分析才具有一定的合理性。否则就会存在较大偏差。当考虑密封介质为实际气体时,密封气体通过密封环之间的微小间隙时,由于密封间隙的节流作用会产生焦耳-汤姆逊效应。针对干气密封常面临的氢气、氮气、空气和二氧化碳,选择最佳状态方程作出其焦耳-汤姆逊系数曲线和焦耳-汤姆逊反转曲线,并以空气通过干气密封间隙为例,计算焦耳-汤姆逊效应引起的气体温降。结果表明：实际气体的焦耳-汤姆逊效应,对干气密封的节流环节会产生重要影响。常温条件下,氢气发生致热效应,而氮气、空气和二氧化碳气体发生致冷效应。
【关键词】：螺旋槽干气密封 流固耦合 理论分析 数值模拟 焦耳-汤姆逊效应
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH136
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 选题背景及意义12-13
• 1.2 干气密封性能研究进展13-18
• 1.2.1 干气密封发展进程13-15
• 1.2.2 干气密封单一场研究状况15-17
• 1.2.3 干气密封流固耦合研究状况17-18
• 1.3 本文研究内容及方法18-20
• 1.3.1 研究内容18
• 1.3.2 研究方法18-20
• 第二章 螺旋槽干气密封基本理论20-28
• 2.1 螺旋槽干气密封的基本结构和工作原理20-22
• 2.1.1 基本结构20-21
• 2.1.2 工作原理21-22
• 2.2 干气密封的主要性能参数22-23
• 2.3 影响螺旋槽干气密封性能的主要因素23-25
• 2.3.1 结构参数23-24
• 2.3.2 操作条件24-25
• 2.4 结构参数及操作条件的选择25-26
• 2.5 密封环材料选择26
• 2.6 干气密封研究方法选择26-28
• 第三章 螺旋槽干气密封的流场分析28-50
• 3.1 气膜流场理论分析28-33
• 3.1.1 物理模型28
• 3.1.2 理论解析计算28-33
• 3.1.2.1 气膜平行时的流场计算28-32
• 3.1.2.1 气膜倾斜时的流场计算32-33
• 3.2 气膜流场数值模拟分析33-49
• 3.2.1 基本假设33-34
• 3.2.2 网格划分34
• 3.2.3 边界条件设置34-35
• 3.2.4 网格独立性分析35-36
• 3.2.5 网格独立性检验36-40
• 3.2.5.1 检验方法36
• 3.2.5.2 检验结果及分析36-40
• 3.2.6 锯齿形螺旋槽干气密封的数值模拟40-49
• 3.2.6.1 锯齿形螺旋槽模型41-42
• 3.2.6.2 角度β_1和β_2对干气密封性能的影响42-43
• 3.2.6.3 锯齿形螺旋槽和常规螺旋槽的性能比较43-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第四章 螺旋槽干气密封固体场变形分析50-56
• 4.1 基本假设50
• 4.2 静环受力分析50-51
• 4.3 静环变形算法51
• 4.4 静环的几何参数计算51-53
• 4.5 静环端面的力矩计算53
• 4.6 静环的变形量计算53-55
• 4.7 本章小结55-56
• 第五章 螺旋槽干气密封流固耦合分析56-66
• 5.1 气膜与静环的流固耦合求解56-58
• 5.1.1 基本假设56
• 5.1.2 流固耦合计算56-58
• 5.2 气膜与静环的流固耦合数值模拟58-65
• 5.2.1 基本假设58-59
• 5.2.2 三维实体建模59
• 5.2.3 螺旋槽干气密封流固耦合计算模型建立59-60
• 5.2.4 网格划分60-61
• 5.2.5 边界条件及模拟设置61
• 5.2.6 讨论气膜的等温与不等温流动对流场的影响61-62
• 5.2.7 流固耦合计算结果及分析62-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第六章 干气密封的实际气体焦耳-汤姆逊效应分析66-80
• 6.1 焦耳-汤姆逊系数66-76
• 6.1.1 立方型状态方程67-69
• 6.1.2 压缩因子69
• 6.1.3 实际气体摩尔定压比热容69-75
• 6.1.4 焦耳-汤姆逊系数曲线75-76
• 6.2 焦耳-汤姆逊反转曲线76-77
• 6.3 计算实例及其讨论77-79
• 6.4 本章小结79-80
• 第七章 结论与展望80-82
• 7.1 结论80-81
• 7.2 展望81-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-88
• 附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文88

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本文编号：1131288