核主泵动静压结合波形端面密封工作机理分析及试验研究

论文摘要

本文研究了一种应用于核电站冷却剂主泵的流体动静压结合波形端面机械密封，该密封具有径向收敛锥度及周向周期分布波形，在内径处还有一定宽度的平面坝区。正常工况下，密封面之间形成完全的流体膜，密封的泄漏量被严格控制在一定范围内以便散热。本文以安德烈斯核主泵主轴密封参数为依据建立了密封间隙流场的有限元计算模型，研究了在密封闭合力一定的条件下，该密封端面结构参数对密封性能的影响。提出了无量纲参数“波锥比”的定义，并以此为基础揭示了波形端面密封在正常工况下依靠静压工作，而小压差和近壁面时动压效应显著的工作机理，为波形端面机械密封的分析和自主设计提供了依据。本文发展了一种流固耦合计算方法，建立了密封间隙流场以及密封整体结构弹性变形的有限元耦合分析模型。分析结果表明密封面间隙形状和径向压力分布都发生了变化；密封组件变形对密封性能参数随几何参数的变化规律影响不大，但对于密封性能的数值有不可忽略的影响。独立设计、安装、调试了卧式缩比波度机械密封试验台，尝试了波形端面静环的多种加工方法；对相关测试传感器进行了选型和标定。密封特性试验验证了密封面打开所需压差的变化规律及正常工况下仅静压起作用的工作机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 本课题的目的和意义
• 1.2 机械密封简介
• 1.2.1 机械密封结构
• 1.2.2 机械密封的分类
• 1.3 流体动压机械端面密封研究现状
• 1.3.1 流体动压密封的概念和发展
• 1.3.2 流体动压密封的理论研究
• 1.3.3 流体动压密封的应用技术
• 1.3.4 非接触式密封的试验研究
• 1.3.5 机械密封端面的加工方法研究
• 1.4 波形端面密封研究现状
• 1.4.1 非人为加工波形的产生和影响
• 1.4.2 人为加工波形的设计和影响
• 1.5 本课题的研究内容和主要技术路线
• 1.5.1 课题研究内容
• 1.5.2 课题主要技术路线
• 第2章 核主泵波形端面机械密封流体计算及密封机理研究
• 2.1 动静压结合型波形端面密封的几何模型
• 2.2 机理分析的理论基础
• 2.2.1 控制方程和边界条件
• 2.2.2 密封结构的物理模型
• 2.2.3 密封性能参数
• 2.3 数值解法-有限元方法
• 2.3.1 有限元计算流场的理论基础
• 2.3.2 有限元模型的边界条件
• 2.3.3 密封端面流体计算流程
• 2.3.4 密封端面流体计算结果
• 2.4 基于纯流体模型的密封性能研究和工作机理分析
• 2.4.1 正常工况下的机械密封性能研究
• 2.4.2 异常工况下密封机理的研究
• 2.4.3 密封端面主要几何参数设计依据
• 2.5 本章小结
• 第3章 动静压结合波形端面机械密封流固耦合分析
• 3.1 流固耦合计算模型
• 3.1.1 流固耦合实现方法
• 3.1.2 变形计算的有限元模型
• 3.1.3 流固耦合计算流程
• 3.2 机械密封流固耦合性能研究
• 3.2.1 密封组件弹性变形
• 3.2.2 密封面变形情况及变形后的液膜形状
• 3.2.3 流固耦合结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 波形密封试验设计与研究
• 4.1 试验台设计基本思路
• 4.2 传感器的选型及标定
• 4.2.1 转速转矩传感器
• 4.2.2 电涡流位移传感器
• 4.3 试验台安装与调试
• 4.4 核心零件——波形端面静环的制备
• 4.5 本章小结
• 第5章 波形密封性能试验研究
• 5.1 试验工况参数
• 5.2 试验内容
• 5.2.1 密封面打开所需最小压差测试
• 5.2.2 内外腔间 O 型圈高压测试
• 5.2.3 不同工况下密封性能测试
• 5.3 试验结果分析及与理论计算结果的比较
• 5.3.1 以加工结果为基础的建模与理论计算
• 5.3.2 密封性能测试试验结果分析和初步结论
• 5.3.3 误差分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 论文主要结论
• 6.2 论文的主要贡献
• 6.3 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果