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节流孔特性论文：静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析

【中文摘要】文章依据国内外相关文献资料,对静压干气密封的发展状况、工作原理和典型结构进行了介绍;分析了节流孔特性对静压干气密封性能的影响,并对静压干气密封端面流场进行了数值计算。根据静压气体润滑止推轴承理论,建立了小孔节流式的稳态静压型气体润滑雷诺方程式和节流孔气体流量控制方程。为提高静压干气密封性能,将节流孔流量项引入到气体润滑雷诺方程式,建立了改进的N-S方程。并推导了端面开启力和气膜刚度等主要参数的计算公式。利用泛函求极值算法和有限元法,用MATLAB编制相应的计算程序,在节流孔直径和端面间隙变化的条件下进行数值计算。重点分析了气膜厚度、气源压力、节流孔个数和直径对端面开启力和气膜刚度的影响,以及端面压力分布情况。计算结果表明:密封气在流经节流孔后形成显著的压力降,气膜刚度随节流孔径增大而减小,随气源压力增大而增大;端面压力在节流孔处最高,向四周逐渐下降;开启力总体随端面间隙增大而减小,随气源压力增大而增大,端面间隙在3μm～13μm左右时,开启力随间隙增大而迅速减小,端面气膜具有较大的刚度。根据国内外关于密封环温度场、密封环变形、和密封环优化等方面的研究状况与方法的相关资料,将热—结构耦合...
【英文摘要】According to the relevant literature at home and abroad, introduction is done on the development status, the working principle and the typical structure of static pressure dry gas seal. Influence of the orifice characteristics on the seal performance is analysed and numerical calculation is carried out on the end face flow field.Based on the static gas-lubricated thrust bearing theory, the gas lubrication Reynolds equation of stable state static pressure and the orifice flow control equation are built. ...
【关键词】节流孔特性 静压干气密封 有限元法 气膜刚度 温度场 热变形
【英文关键词】Orifice Characteristics Static Pressure Dry Gas Seal Finite Element Method Gas Film Stiffness Temperature Field Thermal Deformation
【目录】静压干气密封节流孔特性及端面热变形分析

摘要

4-5

Abstract

5

1 绪论

8-13

1.1 问题的提出

8

1.2 静压干气密封技术研究进展

8-10

1.3 密封环温度场研究进展

10-11

1.4 密封环热变形研究进展

11

1.5 主要研究内容

11-12

1.6 本章小结

12-13

2 静压干气密封端面控制方程

13-24

2.1 节流孔原理

13-14

2.2 密封端面控制方程

14-23

2.2.1 静压干气密封的工作原理及结构

14-15

2.2.2 静压干气密封的几何模型

15-16

2.2.3 基本假设

16-17

2.2.4 静压干气密封控制方程的建立

17-18

2.2.5 节流孔流量计算

18-19

2.2.6 边界条件

19-21

2.2.7 计算模型中的边界条件

21-23

2.3 本章小结

23-24

3 静压干气密封端面控制方程数值计算

24-43

3.1 变分原理

24-26

3.1.1 泛函

24

3.1.2 泛函的变分运算

24-26

3.2 静压干气密封控制方程的变分提法

26

3.3 端面控制方程的有限单元解法

26-35

3.3.1 有限单元的划分及插值函数

27-29

3.3.2 端面控制方程的有限单元表示法

29-33

3.3.3 端面控制方程组的解法

33-34

3.3.4 端面开启力与气膜刚度

34-35

3.4 数值模拟与结果分析

35-42

3.4.1 算例验证

35-37

3.4.2 节流孔特性结果分析

37-42

3.5 本章小结

42-43

4 密封环热力学计算

43-52

4.1 问题假设与温度场模型

43-44

4.2 温度场边界条件

44-45

4.3 密封动静环热边界条件的确定

45-47

4.3.1 端面间气体粘性剪切热的计算

45

4.3.2 搅拌热的计算

45-46

4.3.3 动静环热量分配系数计算

46-47

4.3.4 对流换热系数

47

4.4 有限元热分析方法

47-51

4.4.1 稳态热分析

48

4.4.2 热变形分析

48-49

4.4.3 热变形求解方法

49-51

4.5 本章小结

51-52

5 密封环温度场和热变形分析

52-67

5.1 密封环温度场结果分析

52-58

5.1.1 固定转速下密封环温度场分析

53-56

5.1.2 不同转速下密封环端面温度场分析

56-58

5.2 密封环热变形结果分析

58-66

5.2.1 相同转速下密封环热变形分析

59-61

5.2.2 热变形影响因素分析

61-66

5.3 本章小结

66-67

6 密封环热变形优化设计

67-70

6.1 密封环优化方法

67

6.2 密封环端面热变形模型

67-68

6.3 密封环优化设计模拟实验

68-69

6.4 本章小结

69-70

结论

70-72

参考文献

72-75

攻读硕士学位期间发表的学术论文

75-76

致谢

76-77