基于流固耦合的动压型机械密封多目标优化研究

发布时间：2020-06-30 06:28

【摘要】：动压型机械密封虽然具有润滑性能好、温升小、使用寿命长等优势,但是对于微米级的密封间隙而言,密封端面的微小变形都可能造成润滑膜和密封性能的显著变化,严重时还会导致润滑状态恶化甚至密封失效。因此,本文在研究动压型液体机械密封结构参数对密封端面变形及密封性能影响规律的基础上,利用多目标优化算法对密封性能进行优化研究。具体研究工作及结论如下:1、建立了适用于动压型液体机械密封的流固耦合计算模型,并验证了计算模型的正确性。2、利用所建立的计算模型对密封环及液膜进行流固耦合数值模拟分析,得到了载荷系数、厚径比、弹簧安放直径和弹簧比压等结构参数对端面变形以及密封性能的影响规律。研究表明:考虑流固耦合作用时结构参数变化引起的密封性能参数变化量均大于不考虑流固耦合作用的变化量;动静环端面变形及应力值随着载荷系数、厚径比的增大而减小,随着弹簧安放直径、弹簧比压的增大而增大;密封端面变形及应力较大的区域都位于螺旋槽区域;密封性能参数值随厚径比的增大而减小,随弹簧安放直径、弹簧比压的增大而增大,而随载荷系数的增大呈明显的先减小后增大规律;分析表明,厚径比对密封性能的影响的程度最大,载荷系数对密封性能参数的影响较为复杂且影响也比较大。3、根据结构参数对变形及密封性能影响的研究结果和端面微造型参数对密封性能影响的已有研究成果,确定载荷系数、厚径比、槽深和螺旋角作为优化变量,以泄漏量和液膜刚度为优化目标,通过多元回归分析法建立了优化变量与优化目标之间的拟合方程,并分析了优化变量间的交互关系对密封性能的影响。4、建立了考虑基于流固耦合的动压型机械密封的多目标优化研究方法。通过均匀试验设计方法并利用DPS数据统计系统得到50组样本点,利用Workbench平台对试验点进行数值模拟计算并建立数据库。根据神经网络拓扑结构对神经网络中个物理层合理设置参数,建立BP神经网络并获得优化变量变量与优化目标目标之间的拟合函数,利用MATLAB优化工具箱对其进行多目标寻优得到Pareto前沿解集。从Pareto解集中选择两组优化方案进行数值模拟计算并与原始模型进行对比,结果表明两组优化方案的液膜刚度分别比原始模型提高了8%、12.6%,泄漏量分别比原始模型降低了10%、11.6%,并对优化结果进行了试验验证。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH136
【图文】：

机械密封,结构示意图

究背景及意义械密封是流体输送旋转设备中的关键部件，广泛应用于石油化工、航空域，其典型结构如图 1.1 所示[1]。据统计，国内石化行业炼油泵中机械经超过了 85%，一般场合使用的机械密封多为接触式密封，其原理是在元件提供的预紧力作用下使得密封端面紧密压合而达到防止泄漏的目的封往往因存在断面固体接触而温升较大，特别是在高压、高转速场合端显，从而导致端面变形、磨损、甚至热裂等，使用寿命缩短难以满足工，端面全流体润滑、温升小、磨损小的高性能非接触式机械密封应运泛的关注和研究开发[2]。动压型机械密封作为非接触式机械密封的典型通过密封端面微造型使密封在运转过程中形成动压效应，提升间隙流使开启力与弹性元件和介质压力在动静环端面产生的闭合力维持动态平到全流体润滑目的。

上游泵送机械密封,机械密封

二章液体动压型机械密封流固耦合计算模型动压型机械密封结构参数与密封端面变形及密封性能的影响关系密封的结构、工作原理及流固耦合理论建立计算模型。本章将在，分析建立动压型机械密封流固耦合计算模型，并利用相关文献进行验证，为后续研究奠定基础。机械密封结构及性能参数械密封[29]是一种典型的非接触式机械密封，本文以上游泵送机理是通过螺旋槽的泵送效应抵消密封介质的压差效应，减少密封泄漏，同时利用螺旋槽产生的动压效应增大液膜开启力，使密封，从而减少摩擦，改善润滑条件。图 2.1 为上游泵送机械密封结

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