高温油泵用液膜密封单向流固耦合数值分析

发布时间：2017-05-16 14:19

  本文关键词：高温油泵用液膜密封单向流固耦合数值分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在石油化工行业中,高温油泵广泛采用单端面波纹管接触式机械密封,在运行过程中,该种机械密封存在诸多问题,不能满足工作要求。现研究出一种新型波纹管串联式非接触式液膜机械密封替代单端面波纹管接触式机械密封,该种密封能否满足工作要求,需进行分析。利用Gambit建立了适用于Fluent的动环—静环—液膜的整体周期模型,在Fluent中利用能量方程、动量方程、耦合方程等对模型进行三维流场和温度场的数值求解,获得该种机械密封最佳工作膜厚为2.5μm。在此基础上探讨了转速、温差、压差等操作条件对机械密封性能参数(如开启力、泵送量、液膜刚度等)的影响,得出该种高温油泵用液膜密封在低转速条件下,一定温度范围内,除温差外其他参数的改变,液体的粘温效应对密封性能参数的影响不明显。在该工况下,除温差变化外,考虑液体粘度因温度的变化,对高温油泵用液膜密封的计算没有实际意义。利用Mesh软件建立适用于Mechanical APDL的动环—静环周期模型,基于ANSYS Workbench协同仿真平台首次采用Fluent和Mechanical APDL联合对动环、静环进行了三维的力耦合、热耦合、力热耦合计算。探究了力耦合、热耦合、力热耦合分别对端面变形的影响,并探讨了转速、压差、温差等对端面变形的影响,以及对由力耦合、热耦合、力热耦合产生的应力进行了分析。发现:(1)因力耦合发生周向波度变形和收敛型径向锥度变形,变形尺度小,有利于间隙流体的稳定;(2)因热耦合发生的变形主要为收敛型径向锥度变形,变形尺度远大于因力耦合发生的变形,在耦合变形中占主导地位,和密封间隙处于同一数量级,应考虑热耦合变形对密封性能的影响;(3)动、静环所受应力主要为热应力,应力大小远小于屈服强度,在局部区域出现二次应力,可通过改善几何机构等方式减小二次应力;(4)密封环材料应选择具有高弹性模量、低热膨胀系数的材料。
【关键词】：高温油泵 液膜密封 粘温效应 耦合 变形 应力
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE964;TH136
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 主要符号表10-12
• 第一章 前言12-14
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 课题研究意义13-14
• 第二章 文献综述14-21
• 2.1 高温油泵用密封发展现状14-15
• 2.2 高温密封布局15-16
• 2.3 研究进展16-21
• 2.3.1 密封环变形研究进展16-17
• 2.3.2 密封耦合研究进展17-19
• 2.3.3 研究现状分析19-21
• 第三章 理论分析21-30
• 3.1 固体控制方程21-22
• 3.1.1 固体平衡微分方程21-22
• 3.1.2 固体区域的能量方程22
• 3.2 流体控制方程22-25
• 3.2.1 流体动量守恒方程22-25
• 3.3 流固耦合方程25-26
• 3.4 ANSYS Workbench软件简介26-30
• 3.4.1 ANSYS Workbench软件简介26-27
• 3.4.2 基于ANSYS Workbench流固耦合模型的建立27-28
• 3.4.3 CFD及Fluent简介28-30
• 第四章 固热耦合分析30-51
• 4.1 密封几何参数及物料的确定30-32
• 4.2 边界条件的确定32-36
• 4.2.1 耦合面边界条件的确定33-34
• 4.2.2 对流传热系数的确定34-36
• 4.3 模型网格建立36-38
• 4.3.1 模型网格划分36-37
• 4.3.2 网格无关性验证37
• 4.3.3 算法设定37-38
• 4.4 膜厚的确定38-40
• 4.4.1 膜厚对泵送量、开启力的影响38-39
• 4.4.2 膜厚对液膜刚度的影响39
• 4.4.3 膜厚对刚漏比、开漏比的影响39-40
• 4.5 液膜密封温度场及流场分析40-49
• 4.5.1 压差对密封性能的影响分析40-44
• 4.5.2 内外温差对密封性能的影响分析44-46
• 4.5.3 转速对密封性能影响分析46-49
• 4.6 小结49-51
• 第五章 变形应力分析51-73
• 5.1 力学边界条件的确定52-53
• 5.2 密封环模型建立与网格划分53-56
• 5.3 密封环力耦合分析56-61
• 5.3.1 力耦合引起的变形分析56-58
• 5.3.2 转速对力变形的影响58
• 5.3.3 压差对力变形的影响58-59
• 5.3.4 温差对力变形的影响59
• 5.3.5 密封环力耦合应力分析59-61
• 5.4 密封环热耦合分析61-67
• 5.4.1 热耦合引起的变形分析61-63
• 5.4.2 转速对热变形的影响63-64
• 5.4.3 压差对热变形的影响64-65
• 5.4.4 温差对热变形的影响65
• 5.4.5 密封环热耦合应力分析65-67
• 5.5 密封环力热耦合分析67-71
• 5.5.1 力热耦合引起的变形分析67-68
• 5.5.2 转速对力热耦合变形的影响68
• 5.5.3 压差对力热耦合变形的影响68-69
• 5.5.4 温差对力热耦合变形的影响69
• 5.5.5 密封环力热耦合应力分析69-71
• 5.6 小结71-73
• 结论73-76
• 参考文献76-79
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果79-80
• 致谢80

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本文编号：371096