三种不同端面几何形貌机械密封的性能试验研究

论文摘要

为了改善机械密封的密封性能和端面摩擦副的润滑状况,人们将表面造型技术应用于机械密封以实现机械密封的零泄漏和非接触式运转。目前研究最广最深的是上游泵送机械密封和端面凹腔结构的动压型机械密封,但这两种机械密封也有一定的缺陷：泵送槽机械密封动压力不大；凹腔机械密封在泄漏问题没有得到解决,并且在较大的端面比荷情况下磨损严重。为解决这两个问题,本课题组提出了槽腔结合造型的机械密封以同时实现零泄漏和非接触,并从理论和试验两个方面进行了研究。一、理论方面。基于流体动压润滑理论分别建立了端面泵送槽形貌和端面凹腔形貌的机械密封流体动压润滑的数学模型,介绍了求解此数学模型的数值解方法。选择研究人员此前对槽和腔研究得出的最优参数,应用CFD软件Fluent,分别对端面螺旋槽造型机械密封环、端面凹腔机械密封环和槽腔结合机械密封环的进行了数值模拟。1、对螺旋槽密封环的模拟显示：泵送槽区存在一定的动压力；整体液体压力分布在槽尾翼处较大,因此在一定的工况范围内能地域抵御介质压力。2、对凹腔密封环的模拟显示：凹腔上方及其周边能产生流体动压力；凹腔底部压力最低,最容易产生空化效应。3、对槽腔结合密封环的模拟显示：槽腔结合造型环的端面动压力分布较之单一螺旋槽造型环的端面动压力分布更均匀,有利于密封环运行的稳定性；槽腔结合环的端面整体动压力要比纯槽端面动压力大。二、试验方面。分别对端面凹腔机械密封环、槽腔结合机械密封环和未造型机械密封环进行了密封性能和摩擦性能的试验。对试验结果进行分析是得出以下结论：1、两种造型的机械密封与未造型机械密封相比,具有明显优越的密封性能和摩擦性能。具体表现为：凹腔机械密封在一定工况范围内无泄漏,且具有相对于未造型良好的摩擦性能；槽腔结合机械密封在12种工况中均无泄漏,其摩擦系数远小于未造型的。2、凹腔机械密封也存在一些缺点：在介质压力较小工况下试验时存在泄漏；在介质压力大而转速小时摩擦扭矩较大。而槽腔结合机械密封不存在该缺点。分析表明：泵送槽的泵送效应提高了密封环的密封性能、还具有一定的动压效应；凹腔的动压效应改善了密封环的摩擦性能,这与理论研究的结果相一致。槽腔结合密封环的槽除泵送效应外,还能容纳液体,具有润滑作用,为凹腔的动压效应的产生提供了物质基础,泵送槽和凹腔耦合的效果远远大于两者各自效果之和。凹腔环在端面载荷较大转速小和密封环存在振动的情况下静环微凸体与动环的凹腔壁形成剪切与碰撞,将增大摩擦。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 机械密封的定义与结构
• 1.1.2 提高机械密封性能的方法
• 1.1.3 表面槽腔结合造型机械密封的产生
• 1.1.4 性能试验的重要性
• 1.2 本课题研究的主要内容
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 表面造型的类型
• 1.3.2 表面造型技术的研究现状
• 1.3.3 表面造型机械密封性能研究的现状、研究机构
• 1.4 课题的来源
• 1.5 研究的目的和意义
• 第二章 槽腔结合表面造型机械密封的模型、数值模拟与优化设计
• 2.1 槽腔结合表面造型机械密封的模型
• 2.1.1 槽腔结合表面造型机械密封的几何模型
• 2.1.2 端面具有宏观螺旋槽机械密封的基本方程
• 2.1.3 端面具有规则微凹腔机械密封的基本方程
• 2.1.4 计算方法
• 2.2 端面造型机械密封性能数值模拟
• 2.2.1 泵送槽结构的数值模拟
• 2.2.2 凹腔结构的数值模拟
• 2.2.3 槽腔结合结构的数值模拟
• 2.3 槽腔结合端面造型机械密封的优化设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 机械密封性能试验的理论基础
• 3.1 机械密封受力分析
• 3.2 试验研究中常用的基本概念
• 3.2.1 比压与压力
• 3.2.2 平衡系数
• 3.2.3 膜压系数
• 3.2.4 弹簧比压
• 3.2.5 端面载荷与端面比载荷
• 3.2.6 端面比压
• 3.2.7 摩擦状态
• 3.3 本章小结
• 第四章 机械密封性能试验设计
• 4.1 实验材料
• 4.2 试样的激光加工与后处理
• 4.3 试验装置
• 4.4 试验方法与试验内容
• 4.4.1 试验方法
• 4.4.2 试验内容
• 4.5 本章小结
• 第五章 试验结果与分析
• 5.1 静压试验的结果与分析
• 5.2 空转试验的结果与分析
• 5.3 运转试验结果
• 5.3.1 泄漏量
• 5.3.2 摩擦扭矩
• 5.4 运转试验的摩擦状态分析
• 5.4.1 摩擦状态的分析方法
• 5.4.2 摩擦状态分析的结果
• 5.4.3 三试样的摩擦性能比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究结果总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文