[毕业论文] 螺旋槽式干气密封的轴对称稳态流固耦合模拟 [复制链接]

资料简介：

毕业论文-螺旋槽式干气密封的轴对称稳态流固耦合模拟，共95页，25164字

摘要

干气密封是一种在石油、化工、航空航天等许多工业领域中得到广泛应用的

非接触式机械密封。在干气密封的运行中，密封间隙内流场与密封环变形间存在

相互作用，是一个流固耦合的过程。为了更准确地分析干气密封的特性，进而指

导干气密封的设计，需要对干气密封建立流固耦合的模型。本文以泵用双端面螺

旋槽干气密封为研究对象，进行了螺旋槽式干气密封的流固耦合建模、性能分析

和实验验证工作。

首先对纯流场以及密封环变形分别进行了建模和分析。一方面，建立了基于

Reynolds 方程的密封间隙流场的数学模型和数值方法；另一方面，对密封环固体

变形的数值计算进行建模分析，计算中对比了三种不同的计算方法：接触型边界

方法、简化边界条件方法以及影响系数法。由计算结果发现，简化边界条件方法

与接触型边界方法的结果非常接近，而影响系数法的结果与前两者有一定的差

别。

在已有的流场和密封环变形分析模型的基础上，引入流固间的相互作用，建

立了一种适用于双端面型干气密封的二维稳态流固耦合模型及其软件模拟平台。

在此过程中，解决了由于流固耦合而带来的流场求解问题：二维流场压力的一维

化问题和不等厚薄膜流场的求解问题。将流固耦合模型与实验结果进行对比发

现，数值结果与实验结果符合良好。

最后基于此流固耦合模型，分析了工况参数及端面参数对密封性能的影响。

分析了入口压力、转速、槽型参数、密封环材料以及 O 型圈位置对平衡膜厚、泄

漏量、刚度等性能参量的影响规律，并研究了在密封安装位置误差对密封开启阶

段性能的影响、密封脱开转速与外部压力的关系。

这些结果和结论对于干气密封理论模拟平台的建立和完善、干气密封结构参

数的设计等具有重要意义。

关键词：干气密封；螺旋槽； Reynolds 方程；密封环变形；流固耦合

ABSTRACT

The phenomenon of dry gas seal is complicated, since the flow field between the

two seal rings is affected by the film thickness and meanwhile the pressure of the flow

field will affect the deformation of the seal rings, thus influencing the film thickness in

return. This is a fluid-solid coupling model. In order to know more about the property

of dry gas seal and make better design of dry gas seal, a more accurate numerical

model for dry gas seal is needed. This article is based on the study of the double-end

dry gas seal with spiral groove. In this article a numerical fluid-solid coupling model is

built and used to study the dry gas seal.

Firstly, the flow field and the deformation of the seal are considered respectively.

The numerical model for the fluid is established and the numerical study of the

deformation of the seal is considered. There are three methods to study the

deformation of the seal: the method by setting the contact pairings, the method with

simplified boundary, the influence coefficient method. The comparison of these three

methods is discussed. The method by setting the contact pairings is most accurate, yet

most time-consuming. The influence coefficient method is the least accurate.

Secondly, the fluid-solid coupling model is built, and the numerical study of flow

field is accomplished. The problems about the one-dimensionlization of the flow field

as well as the flow field with varied film thickness are studied. The validation of this

model is shown.

Finally, the double-end dry gas seal with spiral groove is analyzed by the

fluid-solid coupling model. Not only the influence of the input pressure, rotating speed,

the parameters of the spiral groove, the material of the seal ring as well as the location

of the O ring is studied, but also the influence on the shape of the seal fluid is analyzed.

The equilibrium state of the dry gas seal is studied, and the unsteady state of the gas

seal is analyzed as well. The influence of the input pressure on the separating speed is

studied.

III

The conclusion of this article can be used as a proof for the design of the

double-end dry gas seal with spiral groove, and as a guide for fluid-solid coupling

model for other types of dry gas seals.

Keywords ： dry gas seals; spiral groove; Reynolds equation; deformation;

fluid-solid coupling model

目录

摘要 ..... I

ABSTRACT .... III

目录 ........ V

第 1 章 引言 ....1

1.1 课题研究背景及目标 ...1

1.2 干气密封基本原理及产品开发情况 1

1.2.1 干气密封的基本原理 ........1

1.3 干气密封理论研究 ......3

1.3.1 干气密封流固耦合的研究 .3

1.4 本文的研究内容及章节安排 .3

1.4.1 研究对象 .......3

1.4.2 研究内容及章节安排 ........3

第 2 章 密封环间隙的流场计算模型 .......5

2.1 流场计算模型 ....5

2.2 Reynolds 方程 .....7

2.3 平衡膜厚 .8

2.3.1 平衡膜厚概念 .........8

2.3.2 寻找平衡膜厚的实现 ........9

2.4 流场计算算例 ..10

第 3 章 密封环变形的计算模型 ..11

3.1 采用接触对的变形计算 .......12

3.2 简化边界约束条件的变形计算 ......13

3.3 采用影响系数法的变形计算 .........15

3.3.1 影响系数法基本原理 ......15

3.3.2 算例 1（轴向加载） .......15

3.3.3 算例 2（径向加载） .......17

3.3.4 影响系数法运用于密封环变形 .20

3.4 利用三种不同方法求解硬环的变形 ........22

3.5 本章小结 .........24

3.5.1 影响系数法的几点说明 ..24

3.5.2 三种计算变形的方法比较 .........24

第 4 章 流固耦合模型 .......26

4.2 二维压力分布的一维化 .......26

4.2.2 二维压力分布一维化的依据 .....27

4.2.3 二维压力分布一维化的实现 .....28

4.3 不等深膜厚的二维流场的计算 ......29

4.3.1 二维流场与一维化轴对称变形的对应 29

4.4 流固耦合循环 ..30

4.4.1 流固耦合循环 .......30

4.4.2 流固耦合总实现流程图 ..31

4.1 流固耦合模型的验证 .33

第 5 章 流固耦合模型的应用 ......35

5.1 密封性能参数 ..35

5.2 工况参数的变化对密封性能的影响 ........36

5.2.1 入口压力 .....36

5.2.2 转速 ..38

5.3 槽型参数的变化对密封性能的影响 ........40

5.3.1 槽数 ..40

5.3.2 槽深 ..41

5.4 脱开转速的研究 ........43

5.4.1 考虑气膜刚度的脱开参量 Φ .....43

5.4.2 实验所得脱开转速随外压的变化情况 44

5.4.3 数值分析所得的脱开转速情况 .44

5.5 O 型圈位置对密封性能影响的研究 .........46

5.5.2 基本参数评价 .......48

5.5.3 O 型圈位置对薄膜形状的影响 ..50

5.6 密封环材料的影响 ....53

5.7 本章小结 .........54

第 6 章 结论 ..55

插图索引 .........56

表格索引 .........59

参考文献 .........60

致 谢 .....62

附录 A 外文资料的书面翻译 ........66

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