（流体机械及工程专业论文）端面周向波度式密封特性的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t b 4 2 学科分类号 4 7 0 3 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l1 0 6 0 4密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名孙赫学号2 0 0 8 0 0 0 6 0 4 获学位专业名称流体机械及工程获学位专业代码 0 8 0 7 0 4 国家社科规划、基金 课题来源研究方向流体密封技术 项目 论文题目 端面周向波度式密封特性的研究 关键词机械密封，有限元分析，周向波度，径向锥度 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 6论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张秋翔高工北京化工大学化工过程机械 评阅人1蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 评阅人2范德顺教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员蝴 钱才富 教授 北京化工大学 化工过程机械 答辩委员1蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 全国锅炉压力容器 答辩委员2陈朝晖 高工 化工过程机械 标准化委员会 答辩委员3范德顺教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员4 段成红 副教授 北京化工大学 化工过程机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 端面周向波度式密封特性的研究 摘要 端面周向波度式密封是一种非接触机械密封。它具有磨损小、泄漏低 和寿命长等优点，因此这种密封被应用于一些要求高压、高转速的重要场 合，例如核电站主泵轴密封。目前，在国内有关端面周向波度密封的研究 很少。因此，开展端面周向波度式密封特性的研究可以为密封的设计和使 用提供理论依据，这具有十分重要的学术及工程意义。 根据产生密封环端面上周向波度和径向锥度方式的不同，沿着这个思 路，本文将研究内容分为两大部分：( 1 ) 加工致端面周向波度式密封的稳 态特性研究；( 2 ) 变形致端面周向波度式密封的研究。本文的主要研究内 容是：建立密封端面间流场的有限元模型，利用m a t l a b 软件编制有限元 程序，计算出端面周向波度式密封端面间液膜的压力分布，并且得到密封 性能参数。分析了端面周向波度式密封环结构、工作参数以及静态偏斜角 对密封性能的影响。本文提出了一种密封环新结构，利用有限元软件 a n s y s 来模拟密封环在实际工况下的变形，并通过密封环静压变形试验验 证了所提出的结构是否能达到预期的变形效果。 本文以计算流体力学、有限元法为理论依据，通过对端面周向波度式 密封稳态特性的研究，计算了开启力、泄漏量等密封性能参数，然后分析、 对比了计算结果，并得到了一些影响规律。同时，本文提出了一种可产生 端面周向波度的密封环新结构，并从理论和试验上对这种密封环新结构的 变形进行了验证。这些研究成果为密封的工程设计及应用提供了理论支 t 持，为以后密封环结构优化和密封性能的提高打下了理论基础。 关键词：机械密封，有限元分析，周向波度，径向锥度 a b s t r a c t t h er e s e a r c h o nt h ech a r a c t e r i s t i co ff a c e s e a lw i t hc i r c u m f e r e n t i a l ( a i n e s s a b s t r a c t t h ef a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e m t i a lw a v i n e s si sak i n do fn o n c o n t a c i n g m e c h a n i c a l s e a l ， w h i c hc o m b i n e d h y d r o d y n a m i c a n d h y d r o s t a t i c i t s a d v a n t a g e si sl i t t l ew e a r l o w1 e a k a g ea n dl o n gl i f 宅a n ds oo n ，t h u st h i ss e a li s a p p l i e dt os o m ei m p o r t a n to c c a s i o n sw h i c hr e q u i r eh i g hp r e s s u r e ，h i g hs p e e d ， s u c ha sc o o l a n tp u n l ps h a rs e a lo fn u c i e a rp o w e rs t a t i o n a tp r e s e n t ，t h e r e l a t e dr e s e a r c h e so ff a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e m t i a lw a v i n e s sa r ev e 眄f e wi n d o m e s t i c t h e r e f o r ， t h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff a c es e a lw i t h c i r c u m f e r e m t i a lw a v i n e s sc a nb eu s e dt op r o v i dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e d e s i g na n du s eo fs e a l ，i t h a sav e 巧i m p o r t a ma c a d e m i ca n de n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e p 印e rp r o p o s e san e wt y p eo f s e a lr i n g ，a n du s e s a c c o r d i n gt ot h ed i n e r e n tw a y so fp r o d u c i n gc i r c u m f e r e n t i a lw a v i n e s s a n dr a d i a lt 印e rw h i c ha r eo nt h ef a c eo fs e a lr i n g ，f o l l o w i n gt h i st r a i no f t h o u g h t ，t h em a i nr e s e a r c h i n go b j e c t si nt h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ：( 1 ) s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c r e s e a r c ho ff a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e n t i a l w a v i n e s sb yp r o c e s s i n g ；( 2 ) r e s e a r c ho ff a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e m t i a l w a v i n e s sb yd e f o m a t i o n t h em a i nr e s e a r c h i n gw o f k si nt h i sp a p e ra r e ：t h e i h 北京化工人学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f l i q u i df i l mb e t w e e ns e a l i n gf a c e sw a se s t a b l i s h e d ，a n d t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i sp r o g r a mw a sw r i t t e nb ym a t l a bs o r w a r e t os o l v ef o rl i q u i df i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e ns e a l i n gf a c e sa n dt o c a l c u l a t et h es e a lp e 墒n n a n c ep a r a m e t e r s t h ee f j f e c to fs t m c t u r ep a r a m e t e r s ， o p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h ef a c es e a lr i n gw i t hc i r c u m f e r e m t i a la n ds t a t i c d e n e c t i o na n g l eo nt h es e a l p e o n n a n c ei n f l u e n c ew a sa n a l y z e d p a p e r p r o p o s e dan e wt y p eo fs e a lr i n g ，a n du s e df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y st o s t i r n u l a t ed e f o r m a t i o no fs e a lr i n gu n d e ra c t u a lw o f 虹n gc o n d i t i o n ，a j l ds t a t i c p r e s s u r ed e f o m a t i o nt e s to fs e a lw a sv e r i f i e dt h ep r o p o s e ds t m c t u r ew e t h e r c o u l da c h i e v et h ed e s i r e de f r e c to fd e f o n n a t i o n i naw o r d ，a st h ec o m p u t a t i o n a ln u i dd ”a m i c s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t ot h et h e o r e t i c a lb a s i s ，t h ep a p e rd e 印l ys t u d i e st h es t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i c o ff a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e m t i a l w a v i n e s s ， a n dt h es e a l p e r f o m l a n c e p a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d ，s u c ha so p e n i n gf o r c e ，l e a k a g e ，a n dt h e nc a l c u l a t e d r e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n ds o m ei n n u e n c el a w sa r eg o t 仔o mt h e m a tt h es a m et i m e ，p a p e rp r o p o s e san e ws t r u c t u r eo fs e a l r i n gw h i c hc a l l p r o d u c ec i r c u m f e r e m t i a lw a v i n e s so ff a c e ，a n dt h en e ws t m c t l l r ed e f o 眦a t i o n o fs e a li sv e r i f i e do nt h et h e o 巧a 1 1 de x p e r i m e n t t h e s er e s e a r c h e sp r o v i d e t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o re n g i n e e r i n gd e s i g na n da p p l i c a t i o no f s e a l ，a n dl a i e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o rs e a ls t m c t u r eo p t i m i z a t i o na n dt h es e a lp e 墒m a n c e i m p r o v e m e n tl a t 瓯 a b s t r a c t k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c i r c u m f e r e n t i - a lw a v i n e s s ，r a d i a lt a p e r v 北京化工大学硕十学位论文 v i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 本课题的来源、研究目的及意义1 1 2 课题研究背景1 1 3 端面周向波度式密封的结构和工作原理3 1 4 前人研究成果5 1 4 1 密封机理的研究进展5 1 4 2 端面周向波度式密封的研究进展6 1 4 3 密封端面流场研究方法的发展7 1 5 本课题的主要研究内容8 第二章端面周向波度密封的计算流体力学与理论分析1 1 2 1 计算流体力学中的有限元法一1 l 2 2 数学模型1 2 2 2 1 密封环端面结构及相关参数1 2 2 3 数值分析1 2 2 3 1 稳态无量纲液膜压力微分方程及其边界条件1 3 2 3 2 有限元模型的建立。1 5 2 3 3 有限元法求解液膜压力分布1 6 2 3 4 密封性能参数求解2 2 2 4 算例验证2 4 2 4 1 与文献 2 9 】试验值的比较2 4 2 4 2 与f l u e l l t 计算值的比较2 4 2 5 小结2 6 第三章加工致端面周向波度式密封的稳态特性研究2 7 v i i 北京化工人学硕上学位论文 3 1 密封参数对密封性能的影响2 7 3 1 1 密封结构参数对密封性能的影响2 7 3 1 2 密封工作参数对密封性能的影响3 4 3 2 密封环静态偏斜对密封性能的影响4 0 3 2 1 整环有限元模型的建立及其膜厚的修正4 0 3 2 2 密封环静态偏斜对密封性能的影响4 2 3 3 小结4 6 第四章变形致端面周向波度式密封的研究4 7 4 1 数学模型4 7 4 2 密封环力变形分析4 8 4 2 1a n s v s 软件对密封环力变形的求解4 9 4 2 2 密封环结构参数对密封环力变形的影响5 2 4 2 3 不同槽形密封环力变形的比较5 3 4 3 密封环稳态温度场的求解5 5 4 3 1 简化问题所作的物理假设5 6 4 3 2 密封环边界条件的确定及计算5 6 4 3 3a n s y s 软件对密封环稳态温度场的求解5 9 4 4 考虑温度影响的密封环变形分析6 1 4 5 变形致周向波度式密封环的静压变形试验6 3 4 5 1 试验目的和方案6 3 4 5 2 密封环的制造6 4 4 5 3 试验结果及讨论6 4 4 6 ，j 、结6 6 第五章主要结论与展望6 9 5 1 主要结论6 9 5 2 需深入开展的工作7 0 参考文献7 1 v i n 目录 致谢7 4 研究成果及发表的学术论文7 5 作者及导师简介7 6 i x 北京化t 大学硕l j 学位论文 x c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s o u r s e ，o b j e c t i o na j l ds i 印i f i c a n c e l 1 2r e s e a r c hb a c k 黟o u n d 1 1 3s t m c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo f m e f a c es e a lw i t l lc 讯m m f e r e m t i a lw a v i n e s s 3 1 4p r e v i o u sr e s e a r c hf i n d i n g s 5 1 4 1r e s e a r c hp r o 伊e s so f s e a l i n gm e c h a j l i s m 5 1 4 2r e s e a r c hp r 0 伊e s so f m ef a c es e a lw i t hc i r c u m f i e r e m t i a lw a v i n e s s 6 1 4 3d e v e l o p m e n to fs e a lf a c en o w f i d dr e s e a r c hm e t h o d s 7 1 5c o n t e n to f t h j sp a p e r 8 c h a p t e r 2c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h e f a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e r n t i a lw a v i n e s s 1 1 2 1c o i n p u t a t i o n a lf l u i dd y i l 锄i c so f f i n i t ee l e n l e n tm e t h o d 1 1 2 2c o m p u t a t i o ns t e p so f 6 n i t ee l e m e n tm e t l l o d 1 2 2 2 1s t m c t u r ea i l dr e l a t e dp a i 韧 1 1 e t e r so f s e a lr i n gf i a c e 1 2 2 3n u m e f i c a la n a l y s i s 1 2 2 3 1d i 虢r e l l t i a le q u a t i o no fs t a t i cd i m e n s i o n l e s sf i l mp r e s s u r ea 1 1 db o 吼d a 巧c o n d i t i o n 1 3 2 3 2e s t a b l i s e n to f f i n i t ee l 锄e n tm o d e l 1 5 2 3 3s 0 1 u t i o no f 6 l mp r e s 咖ed i s t r i b u t i o nb yf i l l i t ee l 锄e n tm e t h o d 1 6 2 3 4s o l u t i o no f s e a l i n gp e r f o n n a n c ep a 眨i r n e t e r s 2 2 2 4v 甜f i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i n gp r o g r 锄2 4 2 4 1c o m p 抓s o nw i t he x p 甜m e i l 协ld a t ai nm e1 i t 咖 2 9 】2 4 2 4 2c o m p a r i s o nw i mf l u e n tc a l c u l a t i o nv a l u e s 2 4 2 5s u m m 趾v 。2 6 c h a p t e r 3s t a t i cc h a r a c t e r i s 廿cr e s e a r c ho ff a c es e a lw i t hc i r c u m f b r e n t i a l 北京化工人学硕十学位论文 w a 订n e s sb yp r o c e s s i n g 2 7 3 1e 虢c to f s e a l i n gp a r a m e t e r so nt h es e a l i n gp e r f o 衄a n c e 2 7 3 1 1e 行e c to f s e a l i n gs 觚c t u r ep 锄m e t e r so nt h es e a l i n gp 柏姗a j l c e 2 7 3 1 2e 仃e c to f s e a l i n go p e r a t i n gp a r 锄e t e r so nm es e a l i n gp 柏n n a n c e 3 4 3 2e 毹c to f s t a t i cd e f l e x i o no f s e a l i n gf a c eo nm es e a l i n gp 柏册a 1 1 c e 4 0 3 2 1e s t a b l i s h m e n to fh n e 黟a 1d o m a i n 丘n i t ee 1 锄e n tm o d e la n dc o n e c t i o no fm m 1 i c k n e s s 4 0 3 2 2e 仃e c to f s t a t i cd e n e x i o no f s e a l i n gf a c eo nt h es e a l i n gp 拍m a n c e 4 2 3 3s u m 如a r v 4 6 c h a p t e r4r e s e a r c ho ff a c es e a lw i t hc i r c u m f e r e n t i a lw a v i n e s sb y d e f 0 r m a t i o n 4 7 4 1m a m e 【n a t i c a l lm o d e l 4 7 4 2a n a l y s i so f f o r c ed e f o m l a t i o no f s e a l i n gd n g 4 8 4 2 1s 0 1 u t i o nf o r f o r c ed e f o 肌a t i o no f s e a l i n gr i n gb y a n s y ss o 胁a r e 4 9 4 2 2e 廊c to f s e a l i n gs 咖c n 鹏p a r a m e t e r so nt h ef o r c ed e f o 肌a t i o n 5 2 4 2 3c o m p a r i s o nw i mf o r c ed e f 0 肌a t i o no f d i 伍暑r e n tg r o o v es e a l i n gr i n g 5 3 4 3a n a l y s i so fs t a t i ct 锄p e r a t l i r ef i e l do fs e a l i n gr i n g 5 5 4 3 1t h ep h y s i c a la s s u m p t i o n so f p r o b l 锄s i m p l i f i c a t i o n 5 6 4 3 2d e t e n n i n a t i o no f s e a l i n gr i n gb o u n d 踟ya u l dc a l c u l a t i o n 5 6 4 3 3s o l u t i o nf o rs t a t i ct e n l p e r a t l 鹏f i e l do fs e a l i n gr i n gb y 加l s y ss o f h a r e 5 9 4 4c o n s i d e r i n gt h et 锄p e i l n 】r ee 行e c to nm es e a lr i n gd e f o m a t i o na i l a l y s i s 6 1 4 5s t a t i cp r e s s u l ed e f o m l a t i o nt e s to fs e a lr i n gw i t hc i r c u l n f 打e n t i a lw a v i n e s sb y d e f o m a t i o n 6 3 4 5 1t e s tp u 叩o s ea 1 1 ds o l u t i o n s 。6 3 4 5 2m 锄u f i a c t i l r i n go fs e a lr i n g 6 4 4 5 3e x p 嘶n l e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 6 4 4 6s l l m m 龇y 6 6 c h a p t e r5t a i nc o n c l u t i o na n de x p e c t a t i o n 一。6 9 x c o n t e n t s 5 1m a i nc o n c l u t i o n 6 9 5 2e x p e c t a t i o n 7 0 r e f e r e n c e 7 1 a c l m o w l e d g m e n t s 7 4 p a p e r s 7 5 r e s u m eo fa u t h o ra n dm e n t o r 7 6 北京化工大学硕士学位论文 x 符号说明 符号说明 不连续结构的高度，m m 水的比热容，k j ( 蚝k ) 叫 密封环端面宽度，m m 当量直径，m m 弹性模量，g p a 开启力，n 无量纲开启力 液膜厚度，l l m 无量纲膜厚 密封环端面厚度，岫 平衡膜厚，l l m 平均膜厚，m 密封环轴向厚度，哪 静环轴向厚度，m m 动环轴向厚度，m m 密封坝区膜厚，“m j a c o b i 矩阵 单元信息数组 总刚度矩阵 导热系数，w ( m k ) 。1 液膜刚度，n “m q 无量纲液膜刚度 摩擦扭矩，n m 无量纲摩擦扭矩 波数、不连续通槽个数 高斯积分点数 努塞尔系数 线性插值的形函数 液体压力，m p a 无量纲气体压力 大气压力，m p a 内压，m p a 无量纲内压 外压，m p a 无量纲外压 无量纲水的饱和蒸汽压力 普兰特数 泄漏量，m 3 h d 总热流密度，w m 之 b c d胰e五r办h纸所玩，删k岛乞恐耽m肌p尸胁研r肌凡凡一g仇 北京化t 大学硕- 上学位论文 叩 仍 静环的热流密度，w m - 2 动环的热流密度，w m 2 无量纲泄漏量 半径，m m 无量纲半径 雷诺数 密封环根半径，m m 半径，m m 外径，m m 内圆柱半径，m m 内外圆柱的间隙，m m 压力边界 周期性边界 空化边界 内壁厚度，i n r n 工作温度， 希勒数 密封环外侧与周围介质的轴向流速，m s 1 同心圆柱中内圆柱的周向线速度，m s o 距密封端面的距离，m m 密封环热边界 高斯积分权系数 开槽角度，。 对流换热系数，w ( m 2 k ) 。1 空化边界的外法线方向 导热系数，w ( m ) 。1 密封端面绕x 、y 轴的静态偏斜角，。 液膜无量纲压力的变分 密封端面内外侧压差，m p a 余量 泊松比 角度，r a d 波度首个周期的初始相位角，r a d 波度的幅值，m 可压缩数 水的粘度，p a s 自然坐标 高斯积分点 屈服极限，m p a 坝宽比，r = ( 屹一) ( 乞一，：) 液态水的粘性剪切应力，n m 。2 水的运动粘度，m 2 s 刚漏比，n h m 4 x v i 吼釉9厂尺ns研舵，r死y m y 矿雕 h 仅厂舯卯卸e z口俄a彳 厶昏取 r h y 伊 l ；f ， 罗 q 无量纲刚漏比 摩擦功耗，w 无量纲摩擦功耗 密封端面转动角速度，s 。 解域 北京化1 = 大学硕士学位论文 x v i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的来源、研究目的及意义 本课题来源于科技部的“国家科技支撑计划”。作为该计划中的一项，核电站主 泵密封的研究和开发会对大型压水堆和高温气冷堆核电站的发展提供有力的支持。 本文的研究目的就是对端面周向波度式密封特性进行分析，针对密封的流场建立 有限元模型，以研究密封环结构参数和工作参数对密封性能的影响，并总结出规律。 同时，本文从密封环的变形角度出发，提出了一种能在其端面上形成周向波度的新型 密封结构。通过变形，这种密封在稳定运转时，其端面间能形成与端面周向波度式密 封端面基本相同的结构，从而达到与其相同的密封性能。 本文所研究的对象，即端面周向波度式密封是一种非接触式机械密封，与传统非 接触端面密封相比，它具有小磨损、低泄漏、长寿命和高稳定等优越的密封特性。因 此研究这种密封的密封特性，能够为密封的国产化设计和现场实际运转提供一些有价 值的理论参考，而且对于提高核电站主泵长期运行的经济性和安全性来说，也极具工 程意义。 1 2 课题研究背景 核电站反应堆冷却剂泵( 以下简称核主泵) 作为核电站核岛中一个至关重要的设 备，它能够为冷却剂在核反应堆与蒸汽发生器之间封闭回路中的循环提供了持久动 力，以便核反应堆中产生的热量能源源不断地被送到蒸汽发生器中【1 2 】。在核电站发 生事故时，核主泵仍要保证j 下常运转，使冷却剂继续循环对核反应堆进行冷却，阻止 核反应堆中核燃料棒的熔毁。因此，核主泵在核电站中发挥的作用是非常重要的。 而核主泵轴密封虽然不是该设备中的功能部件，但却是其关键部件。因为它的正 常运转，可以把核主泵的泄漏量控制在安全范围内，保证核主泵的稳定运转，在出于 核安全和环保的考虑，以避免核事故的发生，并防止核电站对环境的污染。与此同时， 我国的核主泵密封也完全依赖进口。因此，对核主泵轴密封的研究对以后的国产化来 说，是很有意义的。 目前，应用于核主泵的密封有三种，分别是以美国西屋公司为代表的流体静压型 密封，以德国k s b 公司、瑞士苏尔寿公司和奥地利a n d r i t z 公司为代表的流体动压型 密封。这两类密封在核主泵中均有使用，且西屋、k s b 和苏尔寿核主泵密封的研究较 多，但有关a n d r i t z 主泵密封的研究目前还比较少。 a n d r i t z 主泵密封系统是由三级完全相同的流体动压密封串联组成的。该密封 北京化工人学硕士学位论文 系统中每级密封摩擦副都能承受全系统压力( 1 5 5 m p a ) ，但是在正常运转时每级密封只 承受全系统压差的1 3 ( 大约5 3 m p a ) 。各级密封结构和压力分布见图1 1 。 图l la n d 砌t z 主泵轴密封的结构和压力分布图 f i g 1 - 1t h es 眦t u r ea n dp 船s u r ed i s 词) u t i o no fs h a rs e a lo f a n d r i t zm a i l lp u m p 图1 2 所示的是核主泵轴密封系统的压力与流量分配图。进入密封腔的注入水每 小时是2 0 0 0 升，压力为1 5 9 b a r 。注入水进入第1 级前密封腔，其中1 5 升经过静环和 动环摩擦副直接流向第2 级密封，7 8 5 升流向折流管和水导轴承。 1 2 0 0 升注入水分成二路，第一路6 0 0 升通过不锈钢细管减压至1 0 6 b a r 流到第2 级前密封腔；第二路6 0 0 升通过不锈钢细管减压至5 3 b a r ，流到第3 级前密封腔；然 后通过二组不锈钢细管减压至2 3 b a r ，流到高压泄漏系统。高压泄漏流量在正常情 况下每小时不超过1 2 0 0 升。 经过第2 级和第3 级密封摩擦副的注入水都在1 5 升左右，从第3 级出来的注入 水与大气相通，流向低压泄漏系统。 2 第一章绪论 ll 、。ll 、 闽| ii 蜒 1 5l 电 l pi 二 7 ， 塾 o m l 1 2 l t 毳 第嚣5 f 3 胁f 刁 l i 1 节洼毋三 啪n 苜“ 0 2 - 03 m h 轳i l l = 2 堪第2 圾轴密封e 嚣 塾藩 j l n 6 协b 伞芝要一l 素 壹 节遣器l | 趔g 楷 ， i口 j ：o 。d l 生 l 第。撬 萝夕龇 豸 1 l s 拿 f p 1 5 9 她b 键囊系统目m 1 罂三焦 图l - 2 主泵轴密封的压力与流量分配 f i g 1 - 2t h ep r e s s u r e 锄dn o w d i s 硒b u t i o no f m a i np u m p s l i i l gs ) ，s t 锄 1 3 端面周向波度式密封的结构和工作原理 图1 2 给出了在核电站主泵中使用的端面周向波度式密封的基本结构。密封的静环 与静止环座连接在一起，并在靠近静止环座内径侧的位置上安装了o 形密封圈，以防 止密封介质泄漏并使其稳定性提高，弹簧从静环坏座底面为密封静环组件及其端面的 提供支撑，并且它还为静环组件提供了预紧力和补偿；和主轴一起旋转的动环是与动 环环座组合在一起的，并在径向上安装辅助密封圈来阻止密封介质外泄。密封环压力 分布沿其径向由外到内逐渐降低，高压注入水先流入前密封腔体中，然后按下图1 2 中标示的轨迹流动，当高压水在密封环内外径压差的作用下通过密封端面时，会有少 量的高压水从密封端面泄漏到密封的低压侧，但它会对密封端面起到润滑和散热的作 用，最后经由管路将泄漏的密封介质集中到轴密封低压泄漏系统中。 在静环端面上具有特殊的几何形貌，其端面形貌主要包括周向波度、径向锥度和 密封坝。密封坝是一个靠近密封环内径的环平面区域。周向波度在周向上成周期性分 布，即在波峰处会与密封坝位于同一平面上( 径向锥度为零) ，在波谷处会使径向锥度 最大，同时波度的幅值在径向上会逐渐减小。径向锥度的大小在周向上也会随着周向 波度幅值的变化呈现出相同的周期性变化。当密封的动环相对静环旋转时，周向波度 和径向锥度会使密封端面问液膜分别产生流体动压和静压效果，把密封的动、静环分 开，使流体在压力差作用下进入密封端面间隙形成微米级的连续液膜，从而在泄漏较 小的工况下形成非接触密封。当端面周向波度式密封正常运转的情况下，其端面间液 膜的受力达到平衡。 3 怔压缝灞系纯 北京化工大学硕十学位论文 主轴 高压介质 静环环座 静环 动环 动环环座 图1 - 2 端面周向波度式密封基本结构 f i g 1 - 2n eb 勰i cs 咖c n 盯co f 铋df a c es l 谢t hc i r c 啪f e 崩l t i a lw a v i n 懿s 根据密封端面高低压侧所处位置的不同，可分为外压式、内压式及其组合式。其 中外压式适用于高压侧位于密封端面外侧，内压式适用于高压侧位于密封端面内侧， 其组合式可适用于高压侧位于密封端面外侧或内侧。本课题是针对外压式端面周向波 度式密封开展相关的研究。 ( a ) 外压式 ( b ) 内乐式 ( c ) 组合式 图l - 3 端面周向波度密封的三种形式 f i g 1 - 3t h r e ck i n do fe n d 伽e 泐l 、j l ，i t hc i r c 啪f 孤t i a l 、a v i i l 鹪 外压式端面周向波度式密封的工作原理是流体在密封腔体外压的作用下，先进入 到压力相对较低的密封环波谷区域。然后随着密封环的转动，流体沿周向向波峰区域 流动，由于该流动过程中流场呈收敛间隙，因此流体会产生动压效应，使得接近周向 4 第一章绪论 波峰区域的压力增大，且大于密封腔体外压，同时在密封环端面还存在沿外径向内径 逐渐收敛的径向锥度，所以大部分流体会返回密封腔体；另一小部分流体会进入密封 坝区，向密封环内径泄漏；还有一部分流体会继续在密封环