高速泵機械密封多場耦合分析與結(jié)構(gòu)改進.pdf

1、機械密封在高速運轉(zhuǎn)下會產(chǎn)生過高的粘性剪切熱，導(dǎo)致密封環(huán)溫度過高，熱力變形較大，破壞端面液膜的穩(wěn)定性，在很多大型設(shè)備中已經(jīng)成為一個急需解決的關(guān)鍵問題，以典型高速泵機械密封為研究對象，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的密封性能進行評估，在多場耦合分析的基礎(chǔ)上，開展有針對性的結(jié)構(gòu)改進，達到提高其可靠性和穩(wěn)定性的目的，為高速泵用機械密封的改造設(shè)計提供理論支持。
　　首先，針對密封在運轉(zhuǎn)過程中溫度過高，液膜容易汽化，從而出現(xiàn)密封穩(wěn)定性降低，容易出現(xiàn)早期失效等現(xiàn)象

2、，基于流體力學和潤滑理論，建立起包含密封環(huán)、微米級潤滑液膜以及密封腔在內(nèi)的三維跨尺度多物理場耦合模型，耦合求解連續(xù)性方程、N-S方程及能量方程，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行溫度場、壓力場、流場及熱力變形分析。研究表明:密封端面最高溫升達到54.9℃，最高溫度出現(xiàn)在靜環(huán)靠近內(nèi)徑處，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)密封腔內(nèi)的流動狀況不理想，熱力耦合變形導(dǎo)致端面間隙沿泄漏方向呈收斂狀，并在端面內(nèi)徑處出現(xiàn)局部汽化現(xiàn)象;
　　其次，針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，基于上述分析理論和方法，對動環(huán)、

3、靜環(huán)以及密封腔等三個組件進行結(jié)構(gòu)改進，結(jié)果表明:機械密封采用靜環(huán)六孔結(jié)構(gòu)、楔形面結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流套以及泵效環(huán)均有一定的降溫效果，其中泵效環(huán)的降溫效果最為明顯，降溫幅度達到7℃;
　　最后，為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性與正確性，搭建了密封實驗臺并對其中幾種典型改進結(jié)構(gòu)進行了實驗研究。在不同密封介質(zhì)循環(huán)流量、轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力條件下進行對比實驗，結(jié)果表明和理論基本符合，其中靜環(huán)六孔結(jié)構(gòu)降溫幅度為2℃，泵效環(huán)降溫幅度達5℃;進一步的實驗研究了摩擦副

4、配對對密封環(huán)溫度的影響，結(jié)果表明浸漬樹脂石墨要優(yōu)于普通石墨，而碳化硅相比于鉬合金則具有更好的熱特性。
　　本文針對目前高速泵機械密封所面臨的環(huán)境溫度過高、液膜不穩(wěn)定等因素造成的早期密封失效癥狀，通過建立三維耦合傳熱模型，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)全面的多場耦合分析，給出了對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)密封的評價，并從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，對動環(huán)、靜環(huán)及密封腔等部件進行了結(jié)構(gòu)改進，有關(guān)結(jié)果得到了實驗驗證。在計算過程中采用多場耦合分析計算，避免了傳熱經(jīng)驗公式的誤差;考慮