離心泵人型槽環(huán)流迷宮密封動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、高壓多級(jí)離心泵作為流體輸送核心裝置，在航天、石油化工、核電等行業(yè)受到廣泛應(yīng)用。在此類裝置，特別是高壓多級(jí)離心泵中，由于平衡壓力及密封的需要，存在大量如密封口環(huán)、級(jí)間密封及平衡鼓等環(huán)流密封結(jié)構(gòu)。隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，用戶及設(shè)計(jì)人員對(duì)離心泵水力性能及動(dòng)力學(xué)性能的要求也不斷提高，目前廣泛應(yīng)用于離心泵中的光滑液體環(huán)流密封的密封性能及動(dòng)力學(xué)性能正面臨巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于液體環(huán)流迷宮密封、阻尼密封的密封性能及動(dòng)力學(xué)性能的研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸興起，而針對(duì)螺旋

2、槽迷宮密封、人型槽迷宮密封等在實(shí)際工況中具有泵送效應(yīng)的環(huán)流密封的密封性能及動(dòng)力學(xué)性能的研究較少，如何準(zhǔn)確、可靠地對(duì)此類密封的性能，尤其是動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行求解，探尋此類密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是一個(gè)重要課題。
　　本文以人型槽液體環(huán)流迷宮密封為研究對(duì)象，分別針對(duì)螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封、人型槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封及人型槽定子齒迷宮密封的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，并通過不同工況、結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)對(duì)研究對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性的影響研究，探尋其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，本文針

3、對(duì)研究對(duì)象展開一系列試驗(yàn)研究以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。論文的主要內(nèi)容包括以下四個(gè)方面:
　　第一，為了準(zhǔn)確描述螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封間隙內(nèi)流體流動(dòng)情況，提高密封穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、泄漏量及動(dòng)力學(xué)特性的計(jì)算精度，對(duì)Iwatsubo提出的螺旋槽轉(zhuǎn)子迷宮密封的兩控制體分析方法進(jìn)行完善。將周向動(dòng)量方程、周向速度攝動(dòng)量及其隨軸向坐標(biāo)的變化加入螺旋槽轉(zhuǎn)子迷宮密封流體微元控制方程組中并提出相應(yīng)求解方法。通過Iwatusbo的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證新的分析方法

4、的有效性與可靠性，并利用提出的分析方法對(duì)比分析不同工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封密封性能及動(dòng)力學(xué)性能的影響。
　　第二，結(jié)合新的螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封密封及動(dòng)力學(xué)性能分析方法與Childs提出的有限長(zhǎng)光滑密封動(dòng)力學(xué)分析方法，提出適用于Blasius及Moody摩擦模型的人型槽轉(zhuǎn)子迷宮密封密封性能及動(dòng)力學(xué)特性的分析及求解方法?；谠摲治龇椒?，分析人型槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封相對(duì)于光滑環(huán)形密封及螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封的性能優(yōu)勢(shì)，并對(duì)不同

5、操作工況、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)及表面粗糙度對(duì)人型槽迷宮密封動(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行詳細(xì)研究。
　　第三，為準(zhǔn)確描述螺旋槽定子齒迷宮密封間隙內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，充分凸顯螺旋槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，將由螺旋槽引起的泵送效應(yīng)加入Childs提出的螺旋槽定子齒間隙內(nèi)流體微元的控制方程組中，對(duì)螺旋槽流域穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)求解進(jìn)行修正。同時(shí)，結(jié)合有限長(zhǎng)光滑密封動(dòng)力學(xué)分析方法，提出人型槽定子齒迷宮密封密封性能及動(dòng)力學(xué)特性分析及求解方法。對(duì)比相同工況、結(jié)構(gòu)型式下的人

6、型槽定子與轉(zhuǎn)子迷宮密封密封性能、動(dòng)特性系數(shù)及穩(wěn)定性優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)對(duì)人型槽定子迷宮密封動(dòng)力學(xué)特性的影響進(jìn)行深入分析。
　　第四，設(shè)計(jì)并改造完成環(huán)流密封流體力測(cè)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)密封定子偏心及渦動(dòng)比獨(dú)立、精確可調(diào)，對(duì)不同工況下不同結(jié)構(gòu)型式的密封流體力合力進(jìn)行測(cè)定，并將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證本文所述人型槽液體環(huán)流密封泄漏量及動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的可靠性。
　　研究結(jié)果顯示，本文提出的針對(duì)螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封泄漏量

7、及動(dòng)力學(xué)特性系數(shù)的求解方法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，對(duì)泄漏量及動(dòng)特性的計(jì)算精度比原分析方法更高。人型槽轉(zhuǎn)子齒與定子齒迷宮密封的流體力計(jì)算結(jié)果從定性及定量?jī)煞矫婢c試驗(yàn)結(jié)果一致。此外，壓差對(duì)螺旋槽及人型槽迷宮密封性能的影響遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速，幾何參數(shù)如螺旋角、長(zhǎng)徑比、齒寬、槽寬等均對(duì)研究對(duì)象的密封及動(dòng)力學(xué)性能有較大影響，且人型槽迷宮密封的各部分組合形式對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性有決定性作用。
　　本文研究?jī)?nèi)容與結(jié)論為離心泵口環(huán)密封、級(jí)間密封及平衡鼓密封等