基于多场耦合效应的剖分式机械密封性能研究

发布时间：2019-05-05 19:34

【摘要】：剖分式机械密封(Split mechanical seal,缩写为SMS)因其装拆便捷,在资源日渐枯竭、环境要求不断提高的今天,已成为流体装备领域的一个研究热点。目前,国内外针对SMS的研究大部分限于结构研究,这些研究解决了SMS设计的可行性问题,但缺乏理论研究。因此开展热-力-流-固多场耦合效应下SMS性能的理论研究具有重要的理论价值和实践意义。本文以理论推导、数值计算和试验验证相结合的技术手段,开展基于多场耦合效应的SMS性能研究,探讨在热-力-流-固多场耦合作用下的剖分式密封环(简称为剖分环)变形规律,研究变形环体温度分布和密封性能,并进行台架试验验证。具体研究内容和获得的结论如下:基于侧接触弹塑性理论和PC平均雷诺方程,建立了混合润滑状态下机械密封端面摩擦热的理论计算模型,并利用Matlab编程,计算分析了操作参数和表面形貌参数对摩擦热的影响规律。结果表明:混合摩擦热随转速的增加而增大,微凸体接触摩擦热先增大后减小;对于给定端面形貌的机械密封,当其处于混合润滑状态时,微凸体摩擦间隙d的增大会使端面总摩擦热和微凸体接触摩擦热减小,黏性摩擦热受其影响不大,且始终占据较大比重,当摩擦间隙d?8.2?(σ为静环和动环端面粗糙度的综合标准方差)时,微凸体接触摩擦热减小为零;当粗糙度增大时,总摩擦热先减小然后趋向于稳定,说明存在某一粗糙度使密封端面所产生的混合摩擦热最少;在考虑润滑时,应选择粘度较大且随温度变化小的润滑剂。采用有限元方法对剖分环变形进行了热-力-流-固耦合计算,确定了环体变形的近似表征参数,利用正交试验法对影响变形的操作参数进行了显著性分析,建立了显性影响因素与端面和分型面变形的函数关系式,研究了操作参数单因素和摩擦副材料对变形的影响规律。结果表明:在多场耦合效应下,剖分环密封端面间形成了径向收敛锥状,周向形成2个周期的波,且一般情况下在分型面处形成波峰,分型面则形成从外径向内径收敛和沿密封端面向密封环另一端轴向收敛的楔状,硬质动环的变形非常小,分型面变形可以忽略,软质静环变形较大;介质压力增大使端面和分型面变形均增大,设计时应使分型面预紧力为零,弹簧比压增大可减小分型面变形,但不宜过大,转速在低速时增大可以减小端面变形,继续增大则影响不明显,而介质温度对变形几乎无影响;剖分式动环材料不同对端面锥度、波度和分型面变形均有明显影响,对径向锥度影响最大。利用分离变量法推导了剖分环三维稳态传热数学模型,用Maple语言编程,计算分析了转速、介质温度、分型面张角以及密封端面锥角对端面温度分布的影响。结果表明:转速增加使周向温度梯度增大;介质温度对温度梯度影响很小;分型面张角和密封端面锥角增大均会使端面温度降低,周向温度梯度增大。考虑粗糙度的影响,建立了稳态运行时密封间隙内液膜的几何方程,运用有限体积法对液膜三维模型进行流体动力学数值计算,比较分析了剖分式和整体式密封环的密封性能,研究了转速、介质压力、弹簧比压、分型面张角、端面锥角和分型面与密封环端面波峰的相对位置对泄漏率的影响。结果表明:SMS的泄漏率比整体式密封环大,承载力和端面液膜开启力与泄漏率之比均大于后者,泄漏率在低速范围内随转速的增大而减小,随介力的增大而线性增加,随弹簧比压的增大呈上升趋势,但变化不明显;设定端面变形不变,分型面张角增大使总泄漏率上升,端面液膜开启力减小,且张角tanγs3.3×10-5时,端面泄漏率随张角增大而减小,大于该值时几乎不受其影响;设定分型面张角不变,密封端面的锥度对密封端面和分型面的泄漏率均产生较大影响,端面锥角较小时,适当增大端面锥角可以明显减小密封端面和分型面的泄漏率。通过台架试验对稳态时SMS的静环端面温度与端面变形以及总泄漏率进行了测量。采用OLYMPUS 3D测量共焦激光显微镜对剖分式静环磨损后的密封端面进行三维形貌测量,验证了密封环端面变形情况的理论计算结果;剖分式静环密封端面温度的实测结果和SMS装置泄漏量的实测结果均与理论计算结果基本一致,验证了本文研究方法的合理性和正确性。本文的研究成果对SMS的设计具有一定的指导作用,为SMS性能的深入研究提供基础和参考,也为SMS技术的应用和推广提供了必要的理论依据。
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【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH136

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