螺旋槽干气密封端面气膜热效应研究

发布时间：2017-03-22 12:01

  本文关键词：螺旋槽干气密封端面气膜热效应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：螺旋槽干气密封在运转过程中,端面气膜因黏性剪切和压缩膨胀等会导致其温度发生变化。过高的气膜温度以及过大的温度梯度会导致密封环热变形、密封运行失稳、泄漏率增大、气膜刚度减小等问题,严重时可能导致密封失效。本文对螺旋槽干气密封的端面气膜热效应进行研究。对于气膜的黏性剪切热,提出了一种考虑螺旋槽槽深影响的密封端面摩擦力矩的简化计算方法,并与其他算法进行比较。在密封工作间隙常见的3μm～5μm范围内,该方法具有足够的计算精度。利用萨特兰方程和理想气体过程方程修正Muijderman建立的螺旋槽可压缩流体的压力控制方程,进一步求解得到了气体在流经端面时单纯因压缩和膨胀导致的温度变化规律。结果表明：随着多变指数m的增加,相同半径位置的气膜压力降低,但降低幅度不大。对于气体从进口流到出口的整个过程,若气体受到压缩导致气膜压力高于进口压力Po,则气体温度高于进口温度,且m越大,温度越高；若气体因膨胀导致压力低于Po,则气体温度逐渐下降,且m越大,温度下降越迅速。分别利用最小二乘法拟合得到气膜黏性剪切热和膨胀吸收热随膜厚变化的表达式,暂不考虑气膜与密封环之间的热量传递,联立两式得到热量平衡时的膜厚hp。结果表明：hp一般在2.5～4.5μm之间。hp随转速、热量传递系数的增大而逐渐增大：随槽深、槽宽坝宽比的增大而逐渐减小。利用Fluent分别对理想气体和实际气体2种情况下端面气膜的流动与传热进行数值模拟,结果表明：气膜温度沿径向和周向均发生变化,螺旋槽内靠近外径处的气体温度较低。随着膜厚h的增加,气膜的高温区由台区逐渐转移到密封坝区。h越大,气膜温度越低。转速n对温度的影响明显,n越大,气膜温度越高。而随着po的增加,气体泄漏率St逐渐增大,通过泄漏气体带走的热量相应增加,气膜温度相应降低。在压力不超过4.6 MPa研究范围内,空气、N2实际气体与理想气体的密封性能基本相同,而CO2实际气体的开启力和泄漏率大于理想气体结果,H2实际气体开启力和泄漏率则略微小于理想气体结果。实际气体效应对于气密封的泄漏率影响较大,对开启力的影响不大。
【关键词】：螺旋槽干气密封 热效应 温度场 实际气体 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】：2015
【分类号】：TH136
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 干气密封基本介绍10-11
• 1.2 干气密封性能研究进展11-15
• 1.2.1 理论研究11-12
• 1.2.2 数值计算12-15
• 1.3 干气密封温度场研究状况15-16
• 1.4 本文研究意义、内容及方法16-18
• 1.4.1 研究意义16
• 1.4.2 研究内容16
• 1.4.3 研究方法16-18
• 第二章 密封端面间气膜热量产生机制18-33
• 2.1 螺旋槽干气密封的基本结构和工作原理18-20
• 2.2 干气密封的主要性能参数20-21
• 2.3 影响螺旋槽干气密封性能的主要因素21-23
• 2.3.1 结构参数21-22
• 2.3.2 操作条件22-23
• 2.4 端面摩擦力矩的解析计算23-29
• 2.4.1 当量间隙简化算法23-25
• 2.4.2 其他常见的解析算法25-29
• 2.5 计算方法比较与分析29-31
• 2.5.1 单列螺旋槽干气密封摩擦力矩比较29-30
• 2.5.2 双列螺旋槽干气密封摩擦力矩比较30-31
• 2.6 端面气膜的黏性剪切热31-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第三章 密封端面间气膜的热力过程和热量平衡分析33-47
• 3.1 考虑多变指数影响的气膜压力控制方程33-35
• 3.2 端面气膜的热力过程35-36
• 3.2.1 基本假设35-36
• 3.2.2 气体因压缩和膨胀导致的温度变化方程36
• 3.3 实例计算与讨论36-41
• 3.3.1 多变指数对气膜压力分布的影响37-38
• 3.3.2 多变指数对气膜开启力的影响38-39
• 3.3.3 多变指数对气膜温度分布的影响39-41
• 3.3.4 多变指数对气体泄漏率的影响41
• 3.4 气体因膨胀吸收的热量计算41-42
• 3.5 热量平衡膜厚42-43
• 3.6 不同参数对热量平衡膜厚的影响43-46
• 3.6.1 旋转角速度的影响44
• 3.6.2 槽深的影响44-45
• 3.6.3 槽宽坝宽比的影响45
• 3.6.4 热量传递系数的影响45-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 端面气膜热效应的数值模拟47-69
• 4.1 计算流体动力学与Fluent软件介绍47-48
• 4.2 气膜的基本控制方程48-50
• 4.3 基本假设50-51
• 4.4 Fluent求解过程51-54
• 4.4.1 基于Creo的实体建模51-52
• 4.4.2 网格划分与独立性检验52-53
• 4.4.3 边界条件设置53-54
• 4.4.4 模型选取和计算方法54
• 4.5 端面气膜温度场的数值分析54-61
• 4.5.1 模拟结果验证55-57
• 4.5.2 气膜温度场分布57-58
• 4.5.3 转速对温度场的影响58-59
• 4.5.4 密封气体压力对温度场的影响59-61
• 4.6 端面摩擦力矩的数值计算61-62
• 4.7 实际气体效应对密封性能的影响62-68
• 4.7.1 实际气体状态方程62-63
• 4.7.2 空气实际气体效应的影响63-64
• 4.7.3 CO_2实际气体效应的影响64-65
• 4.7.4 H_2实际气体效应的影响65-67
• 4.7.5 N_2实际气体效应的影响67-68
• 4.8 本章小结68-69
• 第五章 结论与展望69-71
• 5.1 结论69-70
• 5.2 展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-78
• 附录：攻读硕士学位期间取得的科研成果78

【参考文献】

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本文编号：261440