低温干气密封装置流固耦合有限元分析

论文摘要

干气密封从其出现开始便受到极大的关注,以其密封泄漏量低、使用寿命长等显著优点应用在多种场合中。国内外的学者对干气密封进行了大量的研究中,主要集中研究干气密封间的气膜在各种结构参数与操作参数下的密封性能。但是,这些研究都是建立在大量假设的情况下进行的。由于气膜间的膜厚为微米级的,端面间任何微小的变形都会使膜厚产生变化,导致密封性能的变化。但是前人在计算时恰恰将密封环假设为刚性环,将密封环的变形忽略。实际上,密封端面间的气膜压力分布与密封环端面变形之间属于耦合的关系,两者相互影响,采用流固耦合的分析方法将提高计算精度,以便更准确的模拟实际工况,指导工程设计。本文在密封端面间气膜模型的基础上,分析在考虑密封环变形时干气密封的性能参数变化；将密封环的变形分为热变形与力变形两种情况：对于力变形,应用MATLAB软件编写干气密封流固耦合计算程序,求解耦合后干气密封的特性参数；研究了背部压力以及背部支撑高度对于密封环变形的影响,不同压力与转速对密封性能的影响。对于热变形,编写程序计算密封环内部的温度分布从而得到密封环的热变形。将热变形带入力变形的流固耦合程序,最终计算出干气密封在同时考虑热变形及力变形时的性能参数。另外,通过对不同压力、转速以及温差下的研究,得到了密封环所受到的应力变化,分析在何种状态下应力过大而导致干气密封的失效。在一定程度上为干气密封的安全性给出了一个参照。因为本文针对干气密封结构进行建模,故相同或相似的密封结构都可以通过此程序来完成,程序具有一定的通用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的、意义及主要内容
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 对干气密封性能的研究
• 1.2.2 对干气密封的结构研究
• 1.2.3 干气密封在具体工作场合的应用
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 干气密封数学模型的建立
• 2.1 干气密封气膜的数学模型
• 2.1.1 端面几何参数与工作参数
• 2.2 气膜部分的数值分析
• 2.2.1 稳态无量纲气膜压力微分方程
• 2.2.2 有限元模型的建立
• 2.2.3 有限元法求解气膜压力分布
• 2.2.4 密封性能参数
• 2.3 密封环部分的数值分析
• 2.3.1 有限元模型的建立
• 2.3.2 有限元法求解动、静环变形
• 2.4 算例验证
• 2.5 本章小结
• 第三章 干气密封气膜压力与密封环变形的流固耦合分析
• 3.1 工作膜厚的求解
• 3.2 气膜压力和密封环变形耦合分析
• 3.2.1 流固耦合分析流程
• 3.2.2 密封环变形求解与分析
• 3.2.3 背部压力对变形的影响
• 3.2.3.1 背部压力的存在对密封环变形的影响
• 3.2.3.2 动环背部支撑高度对变形的影响
• 3.2.4 密封环所受的应力
• 3.3 压力与转速对耦合效果产生的影响
• 3.3.1 不同压力与转速下密封特性参数的变化
• 3.3.2 不同压力与转速下应力的变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 温度分布与热应力
• 4.1 理论基础
• 4.1.1 稳态热传导问题的有限元公式推导
• 4.1.2 热应力问题的有限元解法
• 4.1.3 主应力的求解
• 4.2 热传导问题分析
• 4.2.1 密封环端面上的温度分布
• 4.2.2 密封环因温度引起的应力及变形求解
• 4.3 考虑热变形时的流固耦合分析
• 4.4 干气密封的试验研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 主要结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书