机械密封热力耦合变形及流场分析

【摘要】机械密封广泛应用在石油、化工、医药、食品、能源等领域的过程设备当中,为了保证其机械设备运行可靠性和稳定性,因此,机械密封在机械设备当中占有重要的地位。机械密封在工作时,由于密封环之间相对旋转而产生摩擦热,致使密封端面的温度升高,造成热量损耗和产生热应力；由于摩擦副磨损,降低其使用寿命；再者由于机械密封端面受到介质压力、弹簧力和液膜压力等载荷作用时,使密封端面产生力变形；密封端面受热力耦合载荷共同作用下,导致密封环发生变形,进而使密封环之间的液膜形状、厚度、压力、流速等参数发生变化,最终影响到泄漏量变化。因此,为了保证机械密封运转的稳定性和提高密封性,对机械密封环热力耦合变形及流场分析非常重要。本文采用有限元ANSYS软件,对机械密封动环端面温度场分布规律以及温度场引起的热变形、受力引起的力变形和热力耦合变形进行分析比较。研究结果表明：摩擦产生的热量导致动环端面温度呈梯度分布,随着半径增加温度从高到低；热变形使动环端面产生拉伸位移,随半径增加变形量减小；受力引起的变形与热变形趋势相反,在内径处产生最大压缩位移,外径处产生最大拉伸位移；热力耦合变形介于两者之间。因此,综合考虑热力耦合作用下产生的变形比单独考虑热变形和力变形对端面变形量影响较小。在热力耦合变形分析基础上,应用FLUENT软件对无变形和热力耦合变形下液膜特性进行比较分析,得出：无论在无变形还是热力耦合变形下,液膜压力都随半径增加而增大,但热力耦合变形下的液膜压力比无变形时液膜压力小；无论在无变形还是热力耦合变形下,流速随半径的增加而增大,且热力耦合变形下液膜流速比无变形时液膜流速大；由于热力耦合作用下产生变形后的液膜厚度变大,导致液膜开启力减小；由于热力耦合作用下产生变形后液膜流速增大,导致泄漏量增大。并通过试验测试,测得泄漏量与模拟结果相比较而言较大,这是由于未考虑密封环间摩擦以及振动对泄漏量的影响。
【作者】吴昊；
【导师】丁雪兴；
【作者基本信息】兰州理工大学，化工过程机械，2014，硕士
【关键词】机械密封；热力耦合；变形计算；流场分析；

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