【摘要】：本課題在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“柱面螺旋槽干氣密封潤滑氣膜動力學(xué)研究”(編號:51569012)的資助下完成。隨著機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展與制造業(yè)市場的需求,軸端密封旋轉(zhuǎn)類機(jī)械不斷突破設(shè)計(jì)工況,逐步向極端工況發(fā)展,這對密封更是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn),在傳統(tǒng)的迷宮密封與刷式密封中,由于流體激振、密封件自身的磨損和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)干磨等多種因素導(dǎo)致密封泄漏量增大、穩(wěn)定性變差、以及壽命變短。而近年來發(fā)展的新型柱面螺旋槽干氣密封具有泄漏少、磨損小、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),可以很好的適用于各種極端工況,本文基于熱流固耦合理論對柱面氣膜密封展開以下研究。利用SolidWorks建立了浮環(huán)-軸套-微間隙螺旋槽氣膜的整體模型。基于計(jì)算流體動力學(xué)理論,利用Fluent軟件求解了微間隙螺旋槽氣膜的三維流場及溫度變化,并探討了轉(zhuǎn)速、壓差對微間隙氣膜壓力、溫度、泄漏量及開啟力的影響。結(jié)果表明:在動壓效果最明顯的區(qū)域壓力和溫度相對較高,隨著壓差的增大,氣膜壓力、泄漏量及開啟力也在不斷的增大,而壓差對溫度場影響卻不大。隨著轉(zhuǎn)速的增加,氣膜壓力、溫度及開啟力都在不斷的增大,泄漏量呈微增趨勢。在此基礎(chǔ)上,通過改變微間隙氣膜流場的平均氣膜厚度、長度、偏心、槽長、槽數(shù)、槽深,螺旋角度數(shù),綜合對比開啟力、泄漏量,剛度等密封性能參數(shù)的影響得出其最佳選擇范圍:平均微間隙厚度為15μm及以下,軸向氣膜長度的最佳選擇為28-52mm,氣膜偏心最優(yōu)選擇為0.55-0.75,槽數(shù)范圍選擇為16-22,槽長選擇為26-30mm,最佳螺旋角度數(shù)為28-42°。通過Mesh網(wǎng)格劃分方式對密封環(huán)浮環(huán)和軸套進(jìn)行不同面全局網(wǎng)格尺寸劃分,將Fluent和Mechanical APDL進(jìn)行耦合聯(lián)立,分別對浮環(huán)和軸套進(jìn)行三維力應(yīng)變、熱應(yīng)變、熱力耦合應(yīng)變求解,并探究了不同壓差、轉(zhuǎn)速對密封環(huán)分別在力、熱、熱力耦合應(yīng)變下的影響,以及對密封環(huán)力應(yīng)力、熱應(yīng)力、耦合應(yīng)力的影響。結(jié)果得出:熱力耦合應(yīng)變中,熱耦合占主體地位,密封環(huán)熱耦合發(fā)生的應(yīng)變尺度遠(yuǎn)大于力耦合應(yīng)變。浮環(huán)和軸套主要受熱應(yīng)力的影響,最大應(yīng)力都出現(xiàn)在被約束的位置,為二次應(yīng)力,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力,故對應(yīng)變影響不大,浮環(huán)的材料應(yīng)該選擇具有自潤滑性的石墨,可以有效的減小摩擦,有利于密封系統(tǒng)的穩(wěn)定,對于動環(huán)軸套應(yīng)選擇彈性模量大、熱膨脹系數(shù)低的碳化硅材料。影響熱應(yīng)變的主要因素為材料的熱膨脹系數(shù),熱膨脹系數(shù)越低,應(yīng)變越小。熱力耦合應(yīng)變主要受轉(zhuǎn)速的影響,壓差影響不大。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH136
【圖文】：

螺旋槽柱面密封微間隙氣膜流場分析及密封環(huán)熱力耦合研究進(jìn)行力應(yīng)變、熱應(yīng)變求解。了解熱、力載荷對柱面密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，為今后柱面密封結(jié)構(gòu)的研究提供一定的理論依據(jù)。密封結(jié)構(gòu)的對比是幾種被廣泛應(yīng)用于各種煙氣輪機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)，如圖 1.1 所示：

圖 2.1 微元體受力分析圖Stokes Equations 方程可得微元體在 x、y、z 方y(tǒng)xx zxX0x y z y xy zyY0y x z yzz xzZ0z x y 方程定律得出固體守恒方程為：s s s fsd

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本文編號：2725087