基於流固熱耦合的高溫高壓動壓機械密封機理研究

《基於流固熱耦合的高溫高壓動壓機械密封機理研究》是依託清華大學，由劉瑩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於流固熱耦合的高溫高壓動壓機械密封機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：劉瑩
• 項目類別：面上項目

項目摘要

工作在高溫、高壓、放射性環境、有毒、易燃易爆物質等極端條件下的流體動壓機械密封其密封機理複雜, 涉及到流體力學、潤滑、摩擦、傳熱、材料性質、機械設計、機械動力學等多學科知識，因多場耦合的基礎研究薄弱，所以機理研究進展緩慢，密封設計和套用大多數依賴經驗和試驗。本課題將多學科基本理論相結合，開展基於流/固/熱耦合條件的極端工況動壓機械密封啟動（或低速運行）及其穩定工作狀態下的工作機理研究，提出熱變形、力變形和流體膜之間相互作用的工程問題解耦方法，建立多場耦合的高溫高壓流體密封啟動（或低速）工作混合潤滑模型，並揭示密封在穩定工作狀態下的性能規律，闡明主要結構參數對密封工作性能的影響，為高溫、高壓極端工況下可靠預測密封的工作狀態，最佳化其工作性能，指導密封設計提供理論基礎。

結題摘要

課題以工作在高溫、高壓、高速條件下的具有波度、錐度及壩區的動靜壓結合型機械密封為對象，研究了啟動、穩定狀態和軸向擾動時的工作機制、運行規律並進行了初步的實驗驗證。 採用數值方法，研究了密封啟動階段流固熱多場耦合混合潤滑機制，揭示出多場耦合作用下密封表面粗糙度對其工作性能的影響規律，實驗結果初步驗證了該模型的合理性； 採用等溫模型研究了波度密封開啟達到穩態的過渡過程和穩態工作下的作用機理與運行規律。結果表明，波度的存在縮短了密封達到平衡狀態的時間；提出了該類動靜壓機械密封表面微觀形貌參數表征的波錐比參數，更加清晰地將波度密封動、靜壓工作機理進行了解耦，深化了對該類密封工作機理的認識；對具有表面複雜微結構流體動密封的空化問題進行了研究，提出了採用JFO流量連續邊界條件有限元算法，為機械密封空化問題提供了更加合理的解決方法；對波度密封的幾何參數影響分析揭示出，周向波度使密封周向存在勢能流動，從而降低了錐度的靜壓承載能力；針對該類密封重要的套用背景-壓水堆核主泵使用工況，得出在滿足泄漏量要求及給定錐度（約650rad）下的最佳波度數為9。 採用有限元方法建立了以波度密封組建為對象的多體組合流固耦合分析模型，揭示出採用硬質合金材料與石墨配副的機械密封組合形式，在工作壓力小於5MPa時，其表面由於流體壓力造成的彈性變形非常小可以忽略，其端面形狀的改變主要原因是機械密封組件以密封背面輔助密封為支點產生的翻轉，此變形將使密封端面形成發散間隙。 採用有限差分與有限元方法相結合的方法，建立了三體、三維波度密封流熱耦合模型，闡述了波度密封熱變形的影響機制；通過理論分析和模擬試驗驗證了模型在密封主要性能預測上的準確性；提出了在三體模型的跨尺度溫度場計算中使能量方程數值計算提高收斂性的有限差分離散方法，並給出兩種密封入口邊界溫度修正邊界條件，解決了常用邊界條件下溫度不連續的問題；揭示了波度密封熱變形對密封性能的影響及主要結構參數和工況參數的影響規律；探索了準確測量密封間隙和密封出口溫度的測量方案，為密封微觀性能的研究提供了有益的參考。 採用流量連續的JFO邊界條件，考慮副密封環摩擦和阻尼特性，研究了靜環具有軸向擾動下的密封動力學特性，揭示了具有一定阻尼下的密封環追隨特性。 探索了光纖位移感測器進行密封間隙測量的可行性及介質對測量精度的影響，證明了其可行性。