螺旋槽干气密封环强度问题研究

发布时间：2017-10-31 02:29

  本文关键词：螺旋槽干气密封环强度问题研究

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【摘要】：螺旋槽干气密封越来越多地应用在高压、高速、大尺寸的场合,目前的干气密封动环材料多采用碳化硅、碳化钨、硬质材料等,这些材料虽然硬度高,但是属于脆性材料,在运行过程中可能会出现裂纹甚至破裂,导致密封失效,甚至危害到主机安全。本文对密封动环强度及振动问题进行了研究。对于外高压(泵入型)的螺旋槽干气密封,在对其动环进行受力分析后得到在离心力单独作用时,密封动环所受应力最大,应用弹性力学理论和数值模拟方法,考察了动环在离心力作用下的应力与应变分布,并给出具体的案例。结果表明：数值法与解析法得到的结果接近,动环径向应力随着半径的增大,呈先增大后减小的趋势,而切向应力在内径处最大,随半径增加而减小；两种应力均随着角速度的增加而增大；随着密封动环尺寸的增大,应力增加。强度校核时主要针对切向应力,当切向最大应力超过其强度极限时,认为密封旋转环将产生裂纹或断裂,从而失效。基于窄槽理论,采用近似解析法对外高压(泵入型)与内高压(泵出型)两种结构下的螺旋槽干气密封气膜端面压力控制方程进行求解,得到端面气膜压力分布与开启力。之后将压力分布导入ANSYS-Mechanical中,求解两种模型下气膜力、离心力及介质压力共同作用时的应力与应变,对密封动环的安全性进行校核分析,并给出影响密封环强度的因素。结果表明：泵入型结构中同时考虑介质压力,气膜力,离心力作用时得到的应力与应变最小,强度满足要求。泵出型结构中,只考虑离心力作用时的密封环应力应变最小,考虑离心力与介质压力作用时得到的应力与应变最大。对考虑介质压力,气膜力,离心力作用时的密封环进行强度校核时,其最大应力大于许用应力,密封环可能出现破裂。因此需要优化结构及操作参数,转速,介质压力,膜厚及动环尺寸都对强度有影响。采用有限元法,对密封动环进行了模态分析,得到自由模态下和约束模态下的密封动环固有频率及振型；计算比较了离心力,介质压力和气膜力对密封动环固有频率的影响；并与文献试验值进行比对。结果表明：自由模态下,密封动环不受约束,振动变形较小。在约束状态下,低阶时,主要是轴向发生振动变形。高阶时,会出现径向变形。约束模态分析得到各阶固有频率较高。密封动环发生共振振的可能性较小。
【关键词】：螺旋槽干气密封 强度 振动 近似解析 数值模拟
【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5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题的来源与意义11
• 1.2 干气密封的概况11-12
• 1.3 螺旋槽干气密封国内外研究动态12-17
• 1.3.1 端面间流场的研究进展12-13
• 1.3.2 密封环变形的研究进展13-16
• 1.3.3 其他回转机械的强度分析研究进展16-17
• 1.4 研究意义、内容及方法17-18
• 1.4.1 研究意义17
• 1.4.2 研究内容17
• 1.4.3 研究方法17-18
• 第二章 离心力作用下的螺旋槽干气密封动环强度分析18-36
• 2.1 螺旋槽干气密封的结构和基本工作原理18-20
• 2.2 密封动环力学性能及受力分析20-21
• 2.3 螺旋槽干气密封动环的材料21-22
• 2.4 干气密封的主要性能参数22-23
• 2.5 影响螺旋槽干气密封性能的主要因素23
• 2.6 离心力作用下密封动环强度解析计算23-28
• 2.6.1 模型简化24-25
• 2.6.2 解析法应力计算25-27
• 2.6.3 强度条件及允许的最大旋转角速度27-28
• 2.7 数值模拟方法28-30
• 2.7.1 建立分析模型29
• 2.7.2 网格划分与独立性检验29
• 2.7.3 载荷及边界条件29-30
• 2.8 计算结果比较与分析30-35
• 2.8.1 解析法结果30-31
• 2.8.2 有限元分析结果31-32
• 2.8.3 解析法结果与数值法结果的对比分析32-33
• 2.8.4 参数的影响33-35
• 2.9 本章小结35-36
• 第三章 泵入型与泵出型螺旋槽干气密封动环强度分析36-57
• 3.1 泵入型与泵出型结构气膜压力计算36-39
• 3.1.1 螺旋槽端面气膜压力控制方程36-37
• 3.1.2 端面间隙气膜压力控制方程的求解37-39
• 3.1.3 开启力计算39
• 3.2 气膜压力分布计算案例39-42
• 3.2.1 泵入型干气密封端面气膜压力分布39-40
• 3.2.2 泵出型干气密封端面气膜压力分布40-41
• 3.2.3 泵入型与泵出型计算结果对比41-42
• 3.3 泵入型结构强度分析42-48
• 3.3.1 密封动环建模及网格划分42
• 3.3.2 密封动环受力分析及边界条件设置42-44
• 3.3.3 泵入型结构结果分析44-48
• 3.3.4 泵入型结构密封动环强度校核48
• 3.4 泵出型结构强度分析48-54
• 3.4.1 密封动环建模及网格划分48-49
• 3.4.2 密封动环受力分析及边界条件设置49-50
• 3.4.3 泵出型结构结果分析50-54
• 3.4.4 泵出型结构密封动环强度校核54
• 3.5 参数的影响54-56
• 3.5.1 转速的影响54
• 3.5.2 介质外压的影响54-56
• 3.5.3 气膜厚度的影响56
• 3.5.4 密封动环尺寸的影响56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 螺旋槽干气密封动环模态有限元分析57-70
• 4.1 试验法与ANSYS模拟对比57-58
• 4.1.1 密封动环模型57
• 4.1.2 结果对比分析57-58
• 4.2 螺旋槽密封动环的限元模型58-59
• 4.2.1 密封动环三维建模58-59
• 4.2.2 密封动环的材料属性59
• 4.3 网格划分及独立性检测59-60
• 4.4 边界条件及求解方法60
• 4.5 模态分析结果60-67
• 4.5.1 自由模态分析结果61-64
• 4.5.2 动环约束模态分析结果64-66
• 4.5.3 各种载荷条件下模态对比66-67
• 4.6 转速对动环模态的影响67-68
• 4.7 密封环尺寸对模态的影响68-69
• 4.8 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-72
• 5.1 结论70
• 5.2 展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-78
• 附录：攻读硕士学位期间取得的科研成果78

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本文编号：1120425