波度端面机械密封有限元数值模拟

发布时间：2017-05-06 21:00

  本文关键词：波度端面机械密封有限元数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锥度端面加工有周向波度(Wavy-Tilt-Dam,缩写为WTD)的机械密封为非接触式机械密封形式的一种,被广泛应用于潜艇艉轴密封等高压、高转速场合,其端面特有的周向波度和径向锥度能够产生流体动压效应和静压效应。在实际运行过程中,由于受极端工况条件的影响,例如密封端面间润滑液膜受粘性剪切作用使得密封环温度上升,进而影响密封性能等,因此开展波度密封的理论设计具有十分重要的工程意义。首先,本文基于流体润滑理论,考虑流量连续的JFO空化边界条件,建立了WTD二维分析模型,采用SUPG有限单元法求解Reynolds方程,计算出相关密封性能参数(开启力、泄漏率、摩擦系数、液膜刚度)并与Lebeck文献进行对比分析,验证了本文计算方法的正确性。在获得润滑液膜压力分布的基础上,研究了操作参数和几何参数对密封性能的影响规律。结果表明当动环转速较低时,WTD密封以流体静压效应为主;当转速较大时(发生空化作用),密封动压效应占主导。其次,考虑WTD密封端面的粘性生热和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立了包括密封环和液膜在内的流固热三维耦合模型,求解了雷诺方程、热传导方程和能量方程,研究了液膜膜厚、波数、波幅、坝宽比、转速及密封压力等参数对密封环温度场和液膜温度场分布规律的影响。结果表明:波度的存在对密封端面起到了冷却作用;密封环温度和液膜温度随着膜厚、波幅增大而降低,随转速、坝宽比增大而升高,波数和密封压力对端面温度的影响不大。最后,在获得润滑液膜压力分布和温度场分布的基础上,比较端面热流体动力润滑和不考虑热效应流体动力润滑的密封性能。结果表明:转速越大,热效应对密封性能影响越显著;并且热效应不能改变润滑液膜压力场分布形式,但会降低最大液膜压力,减弱端面液膜的空化程度。
【关键词】：波度密封 有限单元法 空化 雷诺方程 热效应
【学位授予单位】：浙江工业大学
【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
• 符号说明10-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 课题背景、目的及意义12-13
• 1.2 波度端面机械密封（WTD）研究现状13-17
• 1.2.1 波度端面机械密封概述13
• 1.2.2 波度端面机械密封研究现状13-15
• 1.2.3 机械密封空化模型的研究现状15-16
• 1.2.4 机械密封温度场的研究现状16-17
• 1.3 本论文的研究目标和研究内容17-19
• 1.3.1 研究目标17
• 1.3.2 研究内容17-19
• 第2章 WTD机械密封的数学模型与分析方法19-27
• 2.1 基本几何结构19-20
• 2.2 物理模型20-22
• 2.2.1 端面间液膜控制方程20-21
• 2.2.2 边界条件21-22
• 2.3 数值方法22-26
• 2.3.1 有限元法要点22
• 2.3.2 等效积分的“弱”形式22-23
• 2.3.3 程序计算流程23
• 2.3.4 程序验证23-25
• 2.3.5 密封性能参数25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 基于质量守恒的WTD稳态密封性能研究27-43
• 3.1 操作参数对密封性能的影响27-33
• 3.1.1 转速27-31
• 3.1.2 密封压力31-33
• 3.2 几何结构参数对密封性能的影响33-42
• 3.2.1 波数33-36
• 3.2.2 基础膜厚36-38
• 3.2.3 波幅38-40
• 3.2.4 坝宽比40-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第4章 WTD机械密封热流体动力润滑分析43-61
• 4.1 几何模型43
• 4.2 物理模型43-47
• 4.2.1 广义Reynolds方程44
• 4.2.2 粘温方程44
• 4.2.3 能量方程44-45
• 4.2.4 热传导方程45
• 4.2.5 平均润滑液膜速度45-46
• 4.2.6 对流换热系数46
• 4.2.7 控制方程的边界条件46-47
• 4.3 数值计算方法47-49
• 4.4 程序计算流程49
• 4.5 机理分析49-58
• 4.5.1 HD和THD膜压分布比较51-53
• 4.5.2 液膜平均温度场和动静环温度场分布53-54
• 4.5.3 操作参数对液膜和静环温度场分布的影响54-55
• 4.5.4 结构参数对液膜和静环温度场分布的影响55-57
• 4.5.5 密封材料对端面温度的影响57-58
• 4.5.6 对流换热系数对端面温度的影响58
• 4.6 热流体动压润滑与流体动压润滑密封性能比较58-60
• 4.6.1 动环转速对密封性能影响比较58-59
• 4.6.2 密封压力对密封性能影响比较59-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 总结与展望61-63
• 5.1 主要完成的工作61
• 5.2 结论61-62
• 5.3 创新点62
• 5.4 展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 朱汉华;刘正林;严新平;范世东;;水深变化对船用机械密封端面变形的影响[J];润滑与密封;2008年04期

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本文编号：349094