自泵送流体动压型机械密封的Fluent模拟计算开题报告

全文总字数：799字

1. 研究目的与意义

目前，一些非接触式机械密封已广泛应用于石油、化工、化纤、造纸、电力和冶金行业的离心式压缩机、风机、离心泵等设备。它们是在动环封面上开设型槽，利用流体动力学原理形成流体动力楔，产生端面开启力，以达到减小密封端面的磨损的目的。与普通机械密封相比，这些机械密封提高了密封的可靠性并延长了密封寿命。但是，有些机械密封如干气密封与上游泵送机械密封，它们形成流体动压的介质都是泵入槽内的，在减小密封端面摩擦的同时，也增大了动环和静环间的泄漏率。特别是泵送介质如果含有颗粒，还会破坏密封坝端面，加速了密封失效。而双列螺旋槽端面密封与双列流体型槽自润滑非接触式机械密封虽然实现了螺旋槽端面的零泄漏，但是结构比较复杂，安装空间大，而且仅适用于密封端面两侧流体压差不大的工况。

为了解决现有的单列螺旋槽机械密封端面开启力小、泄漏率大，抗颗粒干扰能力差，双列螺旋槽机械密封的密封端面结构复杂、安装空间大的问题，提出一种适用于密封端面两侧流体压力差范围宽泛的具有流体动压效应的自泵送机械密封，以获得在相同条件下比上述密封具有更大的工作弹性，以及零泄漏的效果。该机械密封型式是在普通机械密封的基础上加以改进，设计出带有螺旋槽、进口环槽及轴向孔道的自泵送动压型机械密封。为了使得该设计能够投入实际运用，将利用Fluent软件进行仿真模拟，计算出螺旋槽及进口环槽的深度。通过对模拟计算的结果进行分析，不断地优化改进数据，使得该机械密封能够成功运用并达到最佳性能。

2. 国内外研究现状分析

动压型机械密封利用流体动压效应在端面间产生一层极薄的流体膜，实现非接触，以改善密封端面间的润滑状况。与普通机械密封相比，动压型机械密封可大大降低密封面磨损，提高密封的可靠性，延长密封寿命^[1-3]。作为当今机械密封领域的高新技术，已广泛应用于离心泵、离心机、离心式压缩机和反应釜等过程装备上。以下将介绍几种典型的动压型机械密封的研究概况。

干气密封概念是上世纪60年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的。1974年螺旋槽气体润滑机械密封首次成功地应用于炼油厂的透平膨胀机上，标志着其工业应用的开始。1996年底，由天津鼎名密封公司发明和研制的第一台国产干气密封在石油化工厂应用并获得成功。随着对干气密封理论和试验研究的深入，这一技术得到进一步发展^[4]。干气密封是目前旋转机械例如压缩机、离心泵轴端密封中一种先进的非接触密封装置。在密封端面开有一定形状的浅槽，最常用的端面槽形是螺旋线形．气膜的稳定性是保证干气密封稳定运行的的关键，端面气膜产生的开启力与介质及弹簧产生的闭合力达到平衡，即可在非接触状态下实现密封。泄漏量是干气密封的重要参数，精确地预估密封的泄漏量是人们长期关注的问题。除了试验研究外，理论分析和数值模拟也是对干气密封泄漏量进行预估的重要手段。在数值模拟方面，可采用cfd模拟密封的内部流场结构。国内外学者采用cfd研究螺旋槽干气密封端面压力和转速对功耗和泄漏量的报道还较少。不过一些学者开始利用 fluent软件对不同气膜厚度的微尺度流场进行数值模拟，求得气膜流场的压力和流速分布，寻求动压效应最佳且口径向流速最小时的气膜厚度，以此最佳的气膜厚度研究不同转速和压力下的泄漏量和功耗^[5]。

上游泵送机械密封是由一具有低流量、高压力端面泵把少量的隔离流体沿着密封端面输送到密封腔，该密封端面的泵送效应通过在端面开各种流体动压槽来实现，最常见的是螺旋槽。由于密封腔的流体压力比隔离流体的压力高，而隔离流体的流向是从低压的隔离流体腔流向高压的密封腔，故常被称为上游泵送，或称为逆流泵送。与干气密封不同的是，上游泵送的开槽区处于低压侧，槽与动压流体相通，未开槽的密封坝区靠近被密封的高压过程流体。相比于干气密封泄漏量少的特点，上游泵送机械密封则可实现密封流体的零泄漏甚至零逸出，彻底消除对环境的污染。一些科研人员还对上游泵送机械密封的作用机理和结构参数进行了研究，分析了该密封端面间的液体运动规律并建立了用于计算机械密封端面内液体二元流动的雷诺方程，用有限元数值计算的方法得出了一定条件下螺旋槽上游泵送机械密封端面间液体的压力分布、开启力及上游泵送量等，取得了一定成果^[6-8]。

原西德的mayer将止推轴承技术应用到机械密封中并使两者结合，研制了圆弧槽热流体动压机械密封。由于圆弧槽内有液体流动，因而密封环边缘得到良好的冷却，同时圆弧槽还具有排除杂质的能力，并且与转向无关，因此工作可靠。mayer还对其进行了大量的试验研究，且对其作用机理作过定性的描述，产生了不少专利，在德国博格曼公司生产了系列产品，将其广泛应用于高温、高压、高速工况。美国克兰公司和日本皮拉公司也有许多热流体动压机械密封产品。近年来，国内也对热流体动压机械密封进行了研究。关雅贤等曾对这种机械密封作过试验研究；彭旭东等提出计算方法，对热流体动力楔机械密封的端面膜压、端面温度和膜压系数等性能参数进行了计算；杨惠霞综合考虑密封面粗糙度、密封环的变形和热传导、端面摩擦生热、端面液膜润滑与承载以及微凸体接触承载等物理过程间的相互作用，采用有限单元法对圆弧槽热流体动压机械密封进行了理论研究和计算。不过，目前国内对这种密封处于理论研究阶段，尚未形成产品^[9,10]。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

通过查阅国内外文献，了解一些典型的带槽的动压型机械密封的研究现状，学习它们的结构和工作原理，针对泄漏量大小及工作寿命长短的问题在其基础上进行改进，设计出带有螺旋槽、进口环槽及轴向孔道的自泵送动压型机械密封。然后利用fluent软件进行仿真模拟，计算出改进后的自泵送动压型机械密封螺旋槽与进口环槽的相关参数并对模拟计算的结果进行分析，不断地优化改进数据得到最佳值。

研究计划：

4. 研究创新点

1.对普通机械密封的结构进行改进，设计具有流体动压效应的自泵送机械密封；

2.利用软件对模型进行分析，优化结构，改进性能。