自泵送流体动压型机械密封性能数值模拟开题报告

 2021-08-08 02:08

全文总字数:1446字

1. 研究目的与意义

目前,一些非接触式机械密封已广泛应用于石油、化工、化纤、造纸、电力和冶金行业的离心式压缩机、风机、离心泵等设备。它们是在动环封面上开设型槽,利用流体动力学原理形成流体动力楔,产生端面开启力,以达到减小密封端面的磨损的目的。与普通机械密封相比,这些机械密封提高了密封的可靠性并延长了密封寿命。但是,有些机械密封如干气密封与上游泵送机械密封,它们形成流体动压的介质都是泵入槽内的,在减小密封端面摩擦的同时,也增大了动环和静环间的泄漏率。特别是泵送介质如果含有颗粒,还会破坏密封坝端面,加速了密封失效。而双列螺旋槽端面密封与双列流体型槽自润滑非接触式机械密封虽然实现了螺旋槽端面的零泄漏,但是结构比较复杂,安装空间大,而且仅适用于密封端面两侧流体压差不大的工况。

为了解决现有的单列螺旋槽机械密封端面开启力小、泄漏率大,抗颗粒干扰能力差,双列螺旋槽机械密封的密封端面结构复杂、安装空间大的问题,提出了一种适用于密封端面两侧流体压力差范围较为宽泛的自泵送机械密封,并拟通过建模、确定边界条件以及分析计算,探讨出几何参数和工况参数对自泵送流体动压型机械密封性能即端面开启力和泄漏率的影响,阐释自泵送流体动压型机械密封获得良好密封性能的理论基础。为了使得该设计能够投入实际运用,将利用UG或Proe建模,在Fluent软件进行仿真模拟,探讨几何参数和工况参数对自泵送流体动压型机械密封性能,即端面开启力和泄漏率的影响。同时根据正交表,不断地优化改进数据,使得该机械密封能够成功运用并达到最佳性能。

2. 国内外研究现状分析

机械密封是主要用于解决流体机械旋转轴与机体之间密封的装置,也是流体密封技术发展最迅速、应用最普遍的一种密封类型。流体动压型机械密封是一种新型的非接触式机械密封。它是利用流体动压效应实现两密封端面分离,从而达到非接触密封的目的。其流体动压效应是依靠在密封端面所开的各种形式的槽、台阶以及利用相对运动的速度来实现的。由于流体动压效应使其密封端面形成全流体膜,极大地改善了密封端面间的润滑条件,其摩擦、磨损微乎其微,其性能和选材方面大大优于接触式机械密封[1]

干气密封概念是上世纪60 年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的1974 年螺旋槽气体润滑机械密封首次成功地应用于炼油厂的透平膨胀机上 , 标志着其工业应用的开始。1996年底, 由天津鼎名密封公司发明和研制的第一台国产干气密封在石油化工厂应用并获得成功。随着对干气密封理论和试验研究的深入, 这一技术得到进一步发展。一些槽型密封面结构只能单方向旋转, 在压缩机停车和反转时, 气体出现反向流动,导致密封面不必要的磨损, 严重时会导致密封面损坏, 影响密封性能。于是出现了双向旋转气体端面密封, 槽型主要有径向槽、双螺旋槽, 更有国际著名公司的标志性产品, 如John Crane 的枞树形槽、Flowserve 的T 形槽 、Burgmann 的U 形槽, 以及我国天津鼎名公司研制的双向槽 。试验和实际应用表明, 双向气体端面密封的泄漏率、端面温升以及端面磨损远低于单向气体密封, 具有很高的稳定性。由于干气密封具有优良的密封性能, 因此在离心泵、搅拌釜和压缩机等设备上获得广泛应用, 通常采用双端面密封或多级串联密封。

螺旋槽机械密封的研究始于上世纪60 年代。1968 年, Strom 等进行了将螺旋槽机械密封应用于高温液态钠环境的试验研究。1969年Gardner将动压轴承理论应用到机械密封研究。1973年Gardner 在试验台上研究了水润滑螺旋槽机械密封的性能, 并成功地应用于潜水泵。1993年Tom Lai 研制了几种包括人字形和Y 字型等在内的几种非接触、无泄漏液相螺旋槽机械密封 , 并应用于不同转速场合(3600r/min 和25000r/min), 温升低于7 ℃;其特点为无上游泵送机械密封所必需的下游流体保障系统。国内, 1992 年王玉明研制成功了八字形油膜润滑螺旋槽机械密封装置 , 利用航空油实现了对高速透平压缩机的密封, 实现了超高速、零泄漏和微磨损, 并成功地应用于离心压缩机的密封。1993 年, 桑立中等研制的LD-90 螺旋槽端面密封在冷冻机上得以应用 , 最大线速度可高达120m/s , 并且实现了零泄漏。科研人员随后还对上游泵送机械密封的作用机理和结构参数进行了研究, 获得了一定成果[2]

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容

通过查阅国内外文献,了解一些典型的带槽的动压型机械密封的研究现状,学习它们的结构和工作原理,针对泄漏量大小及开启力的大小在其基础上进行改进,设计出带有螺旋槽、引流孔的自泵送动压型机械密封。在UG或Proe中创建模型,根据所选的影响因素以及水平数找到合适的正交表,然后利用Fluent软件进行仿真模拟,计算每个自泵送动压型机械密封螺旋槽的开启力以及泄漏量,在正交表中处理数据,得出各因素对模型的影响大小,优化改进数据得到最佳值。

研究计划:

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4. 研究创新点

我们所研究的自泵送流体动压型机械密封当型槽根部流体流出后,形成了低压区,密封腔内的介质在压差作用下通过动环上与密封腔连通的轴向孔道流进型槽中,同样由型槽工作面加速成高速流体,在离心力作用下,沿工作面切向向动环外径侧流动而泵送至密封腔内,如此往复,形成一次次自泵送循环,不需要其它的能源。同时如果槽内流体中含有杂质是也不会对密封端面形成破坏。

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