空间站蒸汽压缩蒸馏装置磁性液体密封的研究

论文摘要

蒸汽压缩蒸馏装置(VCD)是目前我国组织实施的空间站项目中废水再生系统的关键设备,它的动密封对设备的运行性能、产水量、产水水质起着至关重要的作用,由于传统密封无法满足零泄漏、长寿命、高可靠性等要求,所以本课题的目的是在研究清楚磁性液体密封的耐压及失效机理的前提下,为空间站VCD装置设计能满足这些要求的磁性液体密封结构。本论文针对这一目标,完成了以下研究：(1)为了验证磁性液体密封应用于空间站的可行性,创造性的设计了磁性液体密封的耐压及失效机理研究实验台。建立实验台密封结构的磁路模型,计算并测量了密封间隙的磁场强度等参数,得到了极齿下磁场强度的分布规律及密封结构的主要漏磁位置。(2)在设计的实验台上完成了磁性液体在密封间隙中的分布形状和运动过程实验、密封耐压测试实验、机理验证实验。实验中发现磁性液体密封的耐压能力与密封级数呈现近似线性关系。(3)提出三种磁性液体密封的耐压及失效机理假设,分析实验结果得出：气体的瞬间级间流动实现密封耐压的传递。建立密封过程的气体流动模型并计算了基本参数。(4)根据磁性液体密封设计原则,结合磁性液体密封的耐压及失效机理的研究结果,设计了空间站VCD装置的磁性液体密封结构。(5)运用Ansys对所设计的密封结构进行磁场模拟,得到磁力线分布、间隙磁场强度、密封耐压等结果,验证了设计的合理性。(6)建立磁性液体密封结构的优化模型,运用Matlab对密封结构进行优化,达到了减小体积和重量的目的。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 磁性液体简介
• 1.2.2 磁性液体密封原理及特点
• 1.2.3 磁性液体密封的发展及研究现状
• 1.2.4 蒸汽压缩蒸馏装置及其密封
• 1.2.5 磁性液体密封在空间环境下的研究现状
• 1.3 本课题研究内容
• 2 磁性液体密封的耐压及失效机理研究实验台的设计
• 2.1 磁性液体密封的耐压及失效机理研究实验台的结构设计
• 2.1.1 实验台的方案设计
• 2.1.2 极靴的结构设计
• 2.1.3 永久磁铁的结构设计
• 2.1.4 其它零部件的设计
• 2.1.5 磁性液体密封的耐压及失效机理实验台的实体
• 2.2 密封间隙中磁感应强度的计算、测量及比较
• 2.3 实验台密封耐压的计算
• 2.4 本章小结
• 3 磁性液体密封的耐压及失效的机理研究
• 3.1 磁性液体在密封间隙中的分布及运动研究
• 3.2 实验装置密封各级的密封耐压测试
• 3.3 磁性液体密封的耐压机理分析及实验
• 3.4 磁性液体密封的失效机理
• 3.5 磁性液体密封压力传递过程的气体流动计算
• 3.6 本章小结
• 4 空间站蒸汽压缩蒸馏装置的磁性液体密封结构设计
• 4.1 蒸汽压缩蒸馏装置的磁性液体密封的方案设计
• 4.2 磁性液体的选择
• 4.3 极靴的设计
• 4.4 永久磁铁的设计
• 4.5 轴套的设计
• 4.6 隔磁套的设计
• 4.7 压环的设计
• 4.8 密封结构的装配
• 4.8 本章小结
• 5 空间站蒸汽压缩蒸馏装置磁性液体密封结构的磁场有限元分析
• 5.1 电磁场有限元分析的理论模型
• 5.2 Ansys磁场模拟计算
• 5.3 磁场模拟计算结果
• 5.3.1 磁力线的分布
• 5.3.2 矢量显示磁流密度
• 5.3.3 节点磁流密度云图
• 5.3.4 密封间隙中的磁场强度及耐压验证
• 5.4 本章小结
• 6 空间站蒸汽压缩蒸馏装置磁性液体密封结构的优化
• 6.1 磁性液体密封结构优化设计数学模型的建立
• 6.1.1 结构优化的物理模型
• 6.1.2 结构优化的目标函数和设计变量
• 6.1.3 约束条件
• 6.1.4 密封结构优化的数学模型
• 6.2 利用Mat lab优化工具箱求解
• 6.2.1 Mat lab优化工具箱简介
• 6.2.2 Mat lab优化模型
• 6.2.3 结果分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集