离心压缩机迷宫密封封严性与稳定性研究

发布时间：2017-04-03 14:04

  本文关键词：离心压缩机迷宫密封封严性与稳定性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离心压缩机在石油化工行业中被广泛运用,在此类装置中,为了平衡工作的压力安装有平衡盘等装置。为了提升工作效率、在口环、级间、平衡盘等处安装了非接触式的密封。迷宫密封的结构简易,工作稳定,并且与转子非接触性,被广泛的运用在透平机械中。密封的封严性对压缩机效率有重要影响,气体通过流道带来的密封激振力威胁着系统稳定性和安全性。研究迷宫密封的节流机理,优化密封的结构设计,对提升机组效率与安全性有重要帮助,是值得研究的重要课题。本文首先研究了迷宫密封的节流机理,了解了膨胀空腔耗散效应和密封齿间隙的节流效应；同时分析了密封气体激振力的产生原因,研究了计算密封气体力的理论公式。以离心压缩机迷宫密封为研究对象,建立迷宫密封三维计算模型,采用标准κ-ω湍流模型和SIMPLEC压力-速度耦合算法分析了迷宫密封节流机理以及流场特性,并对比了经验公式与整体流程序的计算结果,验证了本文模型和边界条件设置的正确性。迷宫密封通过密封间隙和腔体中间产生了膨胀效应,形成的涡旋完成了动能与热能的转换,达到密封封严作用。在流场分析基础上,对比了直通式,矩形凹槽和圆形凹槽迷宫密封在不同工况下封严性。研究表明,增大进出口压比,增大密封间隙会降低密封封严性；增大转速和预旋率,泄漏量会轻微增加。凹槽结构密封因为破坏了壁面连续性,并且形成了小涡旋,增大了动能耗散,封严性提高,圆形凹槽略优于矩形凹槽,为迷宫密封的优化设计和工况的影响提供依据。密封激振力对系统安全性和稳定性会产生很大影响,在流场分析基础上,以直通式迷宫密封为基础,研究了不同工况下迷宫密封动特性及稳定性。利用旋转坐标系模拟转子的涡动,利用小扰动假设求解阻尼与刚度,引入涡动频率比来表征稳定性特点。结果表明：增大进出口压比与预旋率,系统稳定将大大降低；负预旋率能够增加系统稳定性；扩大密封间隙能够提高系统稳定性。为系统稳定性评价与工况的影响提供了依据。本文针对动特性及稳定性的主要作用因素预旋率,分析了含入口防旋装置对迷宫密封封严与动特性的影响。研究表明：防旋装置减小了流通面积和周向速度,泄漏量有所降低；防旋装置降低了周向速度,从而降低了交叉刚度,增加了直接阻尼,使得稳定性得到提高,为设计稳定性更强的结构以及工业中使用的防旋装置提供了依据。运用转子动力学软件Samcef建立简化的密封轴承转子的模型,研究了含有密封和防旋装置结构对系统临界转速的影响。后处理计算系统稳定性指标对数衰减率。研究表明：含有迷宫密封和防旋装置会增加系统临界转速。工程中应当设计工作转速不在此范围内的结构；含有迷宫密封的系统在转速为10500r/min下对数衰减率低于0.1,发生了失稳,安装防旋装置提高了对数衰减率,系统达到稳定。
【关键词】：数值模拟 迷宫密封 凹槽结构 动特性系数 防旋装置 稳定性
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH452
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究的背景和目的,意义9-10
• 1.2 迷宫密封国内外研究现状10-13
• 1.2.1 迷宫密封实验研究10-12
• 1.2.2 迷宫密封数值研究现状12-13
• 1.2.3 迷宫密封激振力的研究13
• 1.3 本文研究主要内容及思路13-16
• 1.3.1 本文的主要研究内容13-14
• 1.3.2 本文的主要创新点14
• 1.3.3 研究思路14-16
• 第2章 迷宫密封机理与分析方法16-32
• 2.1 迷宫密封简介16-18
• 2.1.1 迷宫密封的分类16-18
• 2.2 迷宫密封的节流作用原理18-20
• 2.2.1 迷宫密封机理18-19
• 2.2.2 迷宫密封的节流原理19-20
• 2.2.3 理想型迷宫密封焓熵图20
• 2.2.4 迷宫密封特点和使用20
• 2.3 迷宫密封泄漏公式法20-22
• 2.4 迷宫密封中气体作用力研究22-24
• 2.5 密封激振力模型24-26
• 2.5.1 Thomas-Alford模型24-25
• 2.5.2 Black-Childs模型25-26
• 2.5.3 Muszynsa的模型26
• 2.6 计算流体力学的介绍26-29
• 2.6.1 商用CFD软件FLUENT27
• 2.6.2 网格介绍27-29
• 2.7 CFD数值模拟结果后处理29-30
• 2.8 本章小结30-32
• 第3章 迷宫密封流场特性研究32-45
• 3.1 迷宫密封流场分析模拟方法32-37
• 3.1.1 控制方程32-33
• 3.1.2 湍流模型以及壁面函数33-36
• 3.1.3 收敛的判定36-37
• 3.2 压缩机密封数值计算37-40
• 3.2.1 迷宫密封计算模型37-38
• 3.2.2 边界条件38-39
• 3.2.3 迷宫密封参数假定39-40
• 3.3 网格划分与网格无关性验证40-41
• 3.3.1 网格划分方法40-41
• 3.3.2 网格无关性检验41
• 3.4 数值结果正确性算例验证41-42
• 3.5 迷宫密封流场计算42-43
• 3.5.1 迷宫密封压力场分析42-43
• 3.5.2 迷宫密封速度场分析43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 不同工况与含槽结构密封封严性研究45-59
• 4.1 含槽迷宫密封模型45-46
• 4.1.1 凹槽迷宫密封几何模型与网格45-46
• 4.2 不同尺寸凹槽结构封严性比较46-52
• 4.2.1 不同尺寸凹槽结构数值计算边界条件46
• 4.2.2 凹槽迷宫密封流场分析46-48
• 4.2.3 不同位置与尺寸的凹槽密封泄漏量48-52
• 4.3 不同工况下凹槽密封与直通密封封严性52-57
• 4.3.1 不同密封间隙下凹槽密封与直通密封封严性52-53
• 4.3.2 不同转速下凹槽密封与直通密封封严性53-55
• 4.3.3 不同压比下凹槽密封与直通密封封严性55
• 4.3.4 不同预旋率下凹槽密封与直通密封封严性55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 压缩机中密封动特性与稳定性研究59-82
• 5.1 计算模型59-61
• 5.1.1 几何模型与网格划分59-61
• 5.2 CFD方法求解动特性61-64
• 5.2.1 旋转的坐标系62
• 5.2.2 密封气体力求解62-64
• 5.3 不同工况密封动特性的影响研究64-71
• 5.3.1 不同进出口压比对密封动特性影响64-67
• 5.3.2 不同的转速对密封动特性影响67-68
• 5.3.3 不同密封间隙对动特性影响68-69
• 5.3.4 不同预旋率对密封动特性影响69-71
• 5.4 迷宫密封防旋装置对密封转子稳定性影响研究71-76
• 5.4.1 防旋装置计算模型72-73
• 5.4.2 防旋装置数值计算73-76
• 5.5 含密封的压缩机转子系统特性研究76-80
• 5.5.1 临界转速研究76-78
• 5.5.2 对数衰减率78-80
• 5.6 本章小结80-82
• 第6章 结论与展望82-84
• 6.1 结论82-83
• 6.2 展望83-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目90

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