本文關鍵詞：螺旋槽干氣密封環(huán)強度問題研究

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【摘要】：螺旋槽干氣密封越來越多地應用在高壓、高速、大尺寸的場合,目前的干氣密封動環(huán)材料多采用碳化硅、碳化鎢、硬質材料等,這些材料雖然硬度高,但是屬于脆性材料,在運行過程中可能會出現裂紋甚至破裂,導致密封失效,甚至危害到主機安全。本文對密封動環(huán)強度及振動問題進行了研究。對于外高壓(泵入型)的螺旋槽干氣密封,在對其動環(huán)進行受力分析后得到在離心力單獨作用時,密封動環(huán)所受應力最大,應用彈性力學理論和數值模擬方法,考察了動環(huán)在離心力作用下的應力與應變分布,并給出具體的案例。結果表明：數值法與解析法得到的結果接近,動環(huán)徑向應力隨著半徑的增大,呈先增大后減小的趨勢,而切向應力在內徑處最大,隨半徑增加而減小；兩種應力均隨著角速度的增加而增大；隨著密封動環(huán)尺寸的增大,應力增加。強度校核時主要針對切向應力,當切向最大應力超過其強度極限時,認為密封旋轉環(huán)將產生裂紋或斷裂,從而失效�；谡劾碚�,采用近似解析法對外高壓(泵入型)與內高壓(泵出型)兩種結構下的螺旋槽干氣密封氣膜端面壓力控制方程進行求解,得到端面氣膜壓力分布與開啟力。之后將壓力分布導入ANSYS-Mechanical中,求解兩種模型下氣膜力、離心力及介質壓力共同作用時的應力與應變,對密封動環(huán)的安全性進行校核分析,并給出影響密封環(huán)強度的因素。結果表明：泵入型結構中同時考慮介質壓力,氣膜力,離心力作用時得到的應力與應變最小,強度滿足要求。泵出型結構中,只考慮離心力作用時的密封環(huán)應力應變最小,考慮離心力與介質壓力作用時得到的應力與應變最大。對考慮介質壓力,氣膜力,離心力作用時的密封環(huán)進行強度校核時,其最大應力大于許用應力,密封環(huán)可能出現破裂。因此需要優(yōu)化結構及操作參數,轉速,介質壓力,膜厚及動環(huán)尺寸都對強度有影響。采用有限元法,對密封動環(huán)進行了模態(tài)分析,得到自由模態(tài)下和約束模態(tài)下的密封動環(huán)固有頻率及振型；計算比較了離心力,介質壓力和氣膜力對密封動環(huán)固有頻率的影響；并與文獻試驗值進行比對。結果表明：自由模態(tài)下,密封動環(huán)不受約束,振動變形較小。在約束狀態(tài)下,低階時,主要是軸向發(fā)生振動變形。高階時,會出現徑向變形。約束模態(tài)分析得到各階固有頻率較高。密封動環(huán)發(fā)生共振振的可能性較小。
【關鍵詞】：螺旋槽干氣密封 強度 振動 近似解析 數值模擬
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH136
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 課題的來源與意義11
• 1.2 干氣密封的概況11-12
• 1.3 螺旋槽干氣密封國內外研究動態(tài)12-17
• 1.3.1 端面間流場的研究進展12-13
• 1.3.2 密封環(huán)變形的研究進展13-16
• 1.3.3 其他回轉機械的強度分析研究進展16-17
• 1.4 研究意義、內容及方法17-18
• 1.4.1 研究意義17
• 1.4.2 研究內容17
• 1.4.3 研究方法17-18
• 第二章 離心力作用下的螺旋槽干氣密封動環(huán)強度分析18-36
• 2.1 螺旋槽干氣密封的結構和基本工作原理18-20
• 2.2 密封動環(huán)力學性能及受力分析20-21
• 2.3 螺旋槽干氣密封動環(huán)的材料21-22
• 2.4 干氣密封的主要性能參數22-23
• 2.5 影響螺旋槽干氣密封性能的主要因素23
• 2.6 離心力作用下密封動環(huán)強度解析計算23-28
• 2.6.1 模型簡化24-25
• 2.6.2 解析法應力計算25-27
• 2.6.3 強度條件及允許的最大旋轉角速度27-28
• 2.7 數值模擬方法28-30
• 2.7.1 建立分析模型29
• 2.7.2 網格劃分與獨立性檢驗29
• 2.7.3 載荷及邊界條件29-30
• 2.8 計算結果比較與分析30-35
• 2.8.1 解析法結果30-31
• 2.8.2 有限元分析結果31-32
• 2.8.3 解析法結果與數值法結果的對比分析32-33
• 2.8.4 參數的影響33-35
• 2.9 本章小結35-36
• 第三章 泵入型與泵出型螺旋槽干氣密封動環(huán)強度分析36-57
• 3.1 泵入型與泵出型結構氣膜壓力計算36-39
• 3.1.1 螺旋槽端面氣膜壓力控制方程36-37
• 3.1.2 端面間隙氣膜壓力控制方程的求解37-39
• 3.1.3 開啟力計算39
• 3.2 氣膜壓力分布計算案例39-42
• 3.2.1 泵入型干氣密封端面氣膜壓力分布39-40
• 3.2.2 泵出型干氣密封端面氣膜壓力分布40-41
• 3.2.3 泵入型與泵出型計算結果對比41-42
• 3.3 泵入型結構強度分析42-48
• 3.3.1 密封動環(huán)建模及網格劃分42
• 3.3.2 密封動環(huán)受力分析及邊界條件設置42-44
• 3.3.3 泵入型結構結果分析44-48
• 3.3.4 泵入型結構密封動環(huán)強度校核48
• 3.4 泵出型結構強度分析48-54
• 3.4.1 密封動環(huán)建模及網格劃分48-49
• 3.4.2 密封動環(huán)受力分析及邊界條件設置49-50
• 3.4.3 泵出型結構結果分析50-54
• 3.4.4 泵出型結構密封動環(huán)強度校核54
• 3.5 參數的影響54-56
• 3.5.1 轉速的影響54
• 3.5.2 介質外壓的影響54-56
• 3.5.3 氣膜厚度的影響56
• 3.5.4 密封動環(huán)尺寸的影響56
• 3.6 本章小結56-57
• 第四章 螺旋槽干氣密封動環(huán)模態(tài)有限元分析57-70
• 4.1 試驗法與ANSYS模擬對比57-58
• 4.1.1 密封動環(huán)模型57
• 4.1.2 結果對比分析57-58
• 4.2 螺旋槽密封動環(huán)的限元模型58-59
• 4.2.1 密封動環(huán)三維建模58-59
• 4.2.2 密封動環(huán)的材料屬性59
• 4.3 網格劃分及獨立性檢測59-60
• 4.4 邊界條件及求解方法60
• 4.5 模態(tài)分析結果60-67
• 4.5.1 自由模態(tài)分析結果61-64
• 4.5.2 動環(huán)約束模態(tài)分析結果64-66
• 4.5.3 各種載荷條件下模態(tài)對比66-67
• 4.6 轉速對動環(huán)模態(tài)的影響67-68
• 4.7 密封環(huán)尺寸對模態(tài)的影響68-69
• 4.8 本章小結69-70
• 第五章 結論與展望70-72
• 5.1 結論70
• 5.2 展望70-72
• 致謝72-73
• 參考文獻73-78
• 附錄：攻讀碩士學位期間取得的科研成果78

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