上游泵送機械密封的性能及流固耦合研究.pdf

1、上游泵送機械密封是在普通機械密封的一個密封端面開設(shè)泵送槽，兩端面在相對運動時產(chǎn)生泵送效應(yīng)，將低壓側(cè)的液體反輸回高壓側(cè)，達到降低甚至避免泄漏的目的。眾多學(xué)者在密封性能以及優(yōu)化等方面進行了比較深入的研究，但對流固耦合少有涉及。本文以上游泵送機械密封為研究對象，開展了密封內(nèi)流場特性、單向流固耦合、雙向流固耦合分析及模態(tài)分析等理論研究，并進行了試驗驗證。主要研究工作及結(jié)論如下:
　　 (1)采用Pro/E軟件建立螺旋槽上游泵送機械密封的

2、三維參數(shù)化模型，應(yīng)用Fluent軟件的動網(wǎng)格技術(shù)，同時考慮空化的影響，對機械密封微間隙內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬，分析了形貌參數(shù)和工況參數(shù)對液膜剛度和泄漏量的影響。研究表明:液膜厚度模擬結(jié)果與有關(guān)文獻測試結(jié)果基本一致，平均相對誤差為8％，驗證了應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)計算機械密封液膜厚度的可行性;機械密封內(nèi)流場必須考慮空化問題才能得到比較真實的內(nèi)流場特性;一定工況下的槽深為2～5μm，螺旋角為14°～18°，槽數(shù)為8～14，槽徑比為0.3～0.5時，密

3、封的性能較好，由此為本文后續(xù)研究選擇了較優(yōu)模型;液膜厚度、泄漏量和液膜剛度隨著轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力的增大而增大。
　　 (2)采用激光加工技術(shù)進行密封面微造型，對普通機械密封和上游泵送機械密封進行了試驗研究和對比。結(jié)果表明:與普通機械密封相比，上游泵送機械密封運行穩(wěn)定性更好，泄漏量和摩擦扭矩更小，更適合用于高參數(shù)的場合。
　　 (3)建立了密封動、靜環(huán)三維幾何模型，將由Fluent軟件模擬獲得的液膜壓力作為動環(huán)端面的一個邊界條

4、件導(dǎo)入ANSYSWorkbench進行單向流固耦合計算，在不同工況下對C石墨、SiC、WC和YWN8四種材料的密封環(huán)進行了有限元對比分析。研究表明:最大變形發(fā)生在密封環(huán)端面螺旋槽頂端，而最大應(yīng)力發(fā)生于密封環(huán)背面的密封臺階處;最大變形和最大應(yīng)力幾乎不受轉(zhuǎn)速的影響，而受介質(zhì)壓力的影響比較明顯，且呈線性增加的趨勢;與其他材料相比，動環(huán)材料推薦優(yōu)先選用SiC。
　　 (4)建立了上游泵送機械密封的雙向流固耦合模型，得到了靜環(huán)的總變形和應(yīng)