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机械密封中的热流体动力效应研究

周剑锋  
【摘要】: 机械密封广泛应用于泵、压缩机和搅拌器等旋转设备。传统的接触式机械密封磨损严重、寿命较短,发展流体润滑的非接触式机械密封是保证设备长时间连续运转的迫切要求。非接触式机械密封中的热流体动力效应包括密封环端面受热变形后引起的热楔效应和端面上动压槽引起的动力楔效应。研究非接触式机械密封中的热流体动力效应,探明摩擦热和热变形等因素对端面液膜特性的影响规律,对非接触式机械密封的密封机理研究及热流体动力效应的应用研究具有重要的理论价值和实践意义。 由动量守恒方程和质量守恒方程推导了适用于平端面机械密封中液膜流动特性分析的控制方程。针对平端面机械密封和螺旋槽机械密封,根据控制方程和Muijderman窄槽理论推导了径向平行间隙和楔形间隙内液膜的径向压力分布方程以及液膜承载力、泄漏率和摩擦扭矩等液膜特性参数的计算公式。编制了求解Reynolds方程的有限元程序,获得了螺旋槽机械密封端面间液膜的二维压力分布规律。液膜特性的研究结果表明,解析法求解平端面机械密封液膜特性的精度较高;对于螺旋槽机械密封,解析法的计算效率较高,但计算精度低于数值法。液膜几何参数、介质压力和粘度对平端面机械密封液膜特性的影响较为显著;槽形几何参数中的螺旋角、槽深、槽宽和槽长对螺旋槽机械密封的液膜特性的影响均比较显著。由于螺旋槽的动压效应,螺旋槽机械密封的液膜承载力比平端面机械密封大。对于平端面机械密封,平行间隙中的液膜承载力小于收敛间隙而大于扩散间隙,平行间隙的泄漏率最小;对于螺旋槽机械密封,端面变形后液膜的承载力减小。 建立了机械密封的传热模型。以液膜的摩擦热流密度作为密封环端面的边界条件,推导了密封环与液膜温度分布的计算公式,给出了摩擦热对动环和静环的分配比例的近似计算方法。根据建立的传热模型,得到了密封环和液膜内部的温度场。影响密封环和液膜温度分布的因素除了密封环尺寸和材料外,还有液膜的摩擦热量及密封环对介质的给热系数等。动环对介质的给热系数较大,因此其获得的摩擦热比静环大得多。当密封环内径不变,外径从小到大变化时,密封环端面的温度先降低再升高;而密封环长度增加时,端面上温度不断降低,降幅减小。根据介质温度和粘度的对应关系确定了液膜的摩擦热、温度和粘度三者间的关系。 研究了机械密封环在受介质压力与摩擦热作用下的变形规律。对于低压机械密封,由介质压力和液膜压力引起的力变形较小,而由液膜摩擦热引起的热变形较大。根据数值计算结果,提出了基于人工神经网络的机械密封端面热变形的预


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