高温热油泵机械密封端面温度场及传热特性的研究

发布时间：2017-04-09 07:13

  本文关键词：高温热油泵机械密封端面温度场及传热特性的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高温热油泵作为石油石化行业的前处理或后处理工艺泵,具有输送介质温度高,介质危险性大等特点。近几年来,由机械密封失效导致的高温热油泵失效频繁发生,给石油石化行业带来了巨大的经济损失。而现阶段对解决高温热油泵机械密封失效、优化密封设计的基础理论研究相对较少,特别是在其端面温度场和热源热量等方面的研究成果更为匮乏。因此,针对高温热油泵机械密封失效主要因素—摩擦副端面温度过高和密封腔冷却不充分,本文对密封端面温升和密封腔传热特性展开了理论分析和试验研究。利用ANSYS软件,建立高温热油泵机械密封摩擦副有限元分析模型;在考虑机械密封端面间隙类型、力变形和热变形的基础上,采用热-结构耦合方法精确计算了机械密封摩擦副端面温度分布；计算结果表明,对于正锥收敛型间隙,对着密封端面间隙的增大,其端面温升逐渐升高。研究了结构参数(载荷系数、端面宽度、O形圈支撑位置)和工艺参数(转速、介质压力)对机械密封端面温度场影响规律；分析结果表明,密封端面温升随着载荷系数、端面宽度和转速的增加而升高；通过改变动环O形圈支撑位置,能够有效降低密封端面温升。基于机械密封端面微凸体高斯分布理论,推导端面微凸体承载特性参数计算方程；计算了机械密封端面微凸体在承载工况下的弹塑性交界面位置、塑性接触面积、弹性接触面积、实际接触面积以及实际压入深度。结合端面微凸体温度计算方程,计算了高温热油泵机械密封端面微凸体所能达到的最大温升,和ANSYS分析结果进行对比分析;采用算例验证了端面微凸体温升理论计算方法的正确性。利用GAMBIT软件,依据高温热油泵机械密封实际工况,建立高温热油泵机械密封腔热平衡数值模型。采用FLUENT软件,利用数值模拟方法计算了高温热油泵机械密封轴传导热、腔体传导热、摩擦热和搅拌热。分析了不同轴径和转速对高温热油泵机械密封传导热、摩擦热和搅拌热的影响规律。针对高温热油泵机械密封传导热大的工况特点,对其传导热系数提出一种修正拟合方法,对参考标准API682中的传导热系数进行修正。对比分析了集中式冲洗和分布式冲洗的密封环周围温度场、压力场和冲洗液速度场分布规律；得到集中式冲洗密封周围温升从冲洗口位置沿着转速一周温度逐渐升高,分布式冲洗密封周围温度场、压力场和冲洗液速度场分布比较均匀。基于不同轴径高温热油泵机械密封热源热量的数值模拟计算,分析了其热平衡冲洗量；研究了不同喉口衬套直径间隙的稳压作用；得到不同轴径喉口衬套直径间隙、压差和热平衡冲洗量的关系曲线。采用机械密封试验台,通过对试验密封外侧温度场的测量,对密封端面热-结构耦合温度场进行验证；通过对试验台轴扭矩的测量,对机械密封端面接触压力进行验证；通过试验得到试验密封的热源热量,对机械密封腔体数值模拟传导热、摩擦热和搅拌热进行验证。因此,通过本文对高温热油泵机械密封端面平均温升、微凸体温升和传热特性的理论研究,为优化密封设计、解决其失效提供了理论基础。
【关键词】：机械密封 端面温度 微凸体 热源 试验验证
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH136
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 符号说明16-18
• 第一章 绪论18-28
• 1.1 课题背景、目的以及研究意义18
• 1.2 高温热油泵机械密封结构及其辅助系统特点18-23
• 1.2.1 高温热油泵机械密封18-20
• 1.2.2 高温热油泵机械密封辅助系统20-23
• 1.3 高温热油泵机械密封失效形式23-24
• 1.4 高温热油泵机械密封研究成果24-27
• 1.4.1 高温热油泵机械密封失效研究成果24
• 1.4.2 机械密封数值传热理论成果24-26
• 1.4.3 机械密封力、热变形研究成果26-27
• 1.5 本课题的研究内容及技术路线27-28
• 第二章 高温热油泵机械密封端面热-结构耦合研究28-44
• 2.1 端面温度场热-结构耦合分析28-34
• 2.1.1 不同端面间隙机械密封膜压分布28-29
• 2.1.2 热-结构耦合分析方法29-31
• 2.1.3 热-结构耦合有限元模型31
• 2.1.4 热-结构耦合边界条件31-34
• 2.2 端面温度场热-结构耦合分析结果34-37
• 2.2.1 计算示例过程34-35
• 2.2.2 热-结构耦合结果35-37
• 2.3 端面温度场变化规律37-42
• 2.3.1 机械密封热传导分析37-38
• 2.3.2 结构参数对机械密封端面温度场的影响38-40
• 2.3.3 工艺参数对机械密封端面温度场的影响40-41
• 2.3.4 材料对机械密封端面温度场的影响41-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第三章 基于高斯分布理论对端面微凸体温升和承载特性研究44-60
• 3.1 端面微凸体温升计算方法44-45
• 3.2 端面微凸体承载特性参数方程45-50
• 3.2.1 端面微凸体分布方程45-47
• 3.2.2 端面微凸体受力分析47
• 3.2.3 承载特性参数方程47-48
• 3.2.4 弹塑性变形计算流程48-50
• 3.3 端面微凸体温升分析50-53
• 3.3.1 端面微凸体温升计算50-52
• 3.3.2 材料对微凸体温升的影响52-53
• 3.4 端面微凸体温升算例验证53-59
• 3.4.1 算例端面微凸体温升计算53
• 3.4.2 不同转速端面微凸体温升53-54
• 3.4.3 介质压力对机械密封端面承载特性参数的影响54-56
• 3.4.2 机械密封端面温度测量56-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第四章 高温热油泵机械密封腔传热特性数值研究60-80
• 4.1 密封腔传热特性数值分析60-66
• 4.1.1 密封腔热量来源60-62
• 4.1.2 密封腔数值模型62-63
• 4.1.3 密封腔边界条件63
• 4.1.4 数值分析结果63-66
• 4.2 热源热量分析66-72
• 4.2.1 不同轴径机械密封热源热量66-68
• 4.2.2 转速对机械密封传热量的影响68-69
• 4.2.3 传导热系数的计算69-70
• 4.2.4 传导热系数修正拟合70-72
• 4.3 密封热平衡冲洗量72-73
• 4.3.1 API682机械密封冲洗量计算72-73
• 4.3.2 高温热油泵机械密封冲洗量计算73
• 4.4 密封腔喉口衬套稳压作用研究73-79
• 4.4.1 喉口衬套稳压效果73-75
• 4.4.2 冲洗量对喉口衬套稳压效果的影响75
• 4.4.3 喉口直径间隙对稳压效果的影响75-76
• 4.4.4 喉口间隙、压差和热平衡冲洗量关系76-79
• 4.5 本章小结79-80
• 第五章 高温热油泵机械密封试验研究80-98
• 5.1 高温密封试验目的80
• 5.2 高温机械密封试验台80-84
• 5.2.1 试验台密封主体系统80-82
• 5.2.2 试验台密封辅助系统82-84
• 5.3 机械密封试验84-96
• 5.3.1 密封环端面温度场实验验证84-87
• 5.3.2 转速对密封端面温升的影响87-89
• 5.3.3 接触压力试验验证89-91
• 5.3.4 摩擦热、搅拌热试验验证91-94
• 5.3.5 摩擦热、搅拌热和传导热试验验证94-96
• 5.4 本章小结96-98
• 第六章 结论与展望98-100
• 6.1 全文内容总结98-99
• 6.2 研究展望99-100
• 参考文献100-104
• 致谢104-106
• 已发表学术论文106-108
• 作者及导师简介108-109
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书109-110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：294729