（机械设计及理论专业论文）t型槽干气密封热变形分析与优化.pdf

西华大学硕士学位论文 t 型槽干气密封热变形分析与优化 机械设计及理论 研究生李娜指导教师朱维兵教授 随着工业的高速发展，密封的工作状况趋于高温、高速、高压，在实际应 用中，不可避免的会出现密封失效。造成密封失效的原因很多，密封端面变形 就是主要原因之一，而热变形又是端面变形的主导因素。为了探究哪些设计因 素导致了端面热变形及其影响程度，以某合成气压缩机t 型槽干气密封为例进 行分析研究。 首先结合国内外相关资料，分析密封环温度场、密封环变形、密封环耦合、 密封环优化等方面的研究进展与研究方法，从而确定本文的研究方案；通过热、 结构及耦合等理论分析，确定本文的计算研究方法。 应用有限元分析法，通过热平衡分析和模型简化，建立稳态t 型槽干气密 封动、静环温度场模型，应用数值分析方法对密封环温度场进行求解，获得温 度分布规律；通过对密封环温度场的研究，进而求解干气密封动、静环的热一 结构耦合变形，获得热变形规律；通过6 8 组密封环端面热变形的仿真实验，分 析密封环的工况参数、材料参数、结构参数对动静环端面轴向热变形量、变形 锥度、变形曲度等影响，并找出影响热变形的主要因素；讨论了干气密封环的 优化方法，基于动静环热变形补偿理论，提出了优化方案，并将优化后的密封 环重新进行热变形分析，其结果证明了这种优化方案的可行性。 通过对t 型槽干气密封动静环热变形的深入研究，得到一些普遍性的规律， 为气体端面密封的设计和优化提供了理论依据，并为后续的密封瞬态分析、多 场耦合分析、优化设计等研究工作打下坚实基础。 关键词：t 型槽干气密封；温度场；热变形；优化；有限元分析 西华大学硕1 二学位论文 t - s h a p eg r o o v ed r yg a ss e a lt h e r m a ld e f o r m a t i o n a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nr e s e a r c h m a c h i n ed e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t el in as u p e r v i s o rz h uw e i b i n g w i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p i n go fi n d u s t r y ，t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fs e a l b e c o m eh i g ht e m p e r a t u r e 、h i g hp r e s s u r e 、a n dh i g hr o t a t i n gs p e e d d u r i n go p e r a t i o n ， s o m ep r o b l e m sa r e a r o u s e d ，e s p e c i a l l yt h e o n e sa b o u tt h es e a lf a i l u r ed u et o d e f o r m a t i o no fs e a le n df a c e ，a n dt h et h e r m a ld e f o r m a t i o ni sad o m a i nf a c t o ro fe n d f a c ed e f o r m a t i o n i no r d e rt oe x p l o r et h ec a u s i n go ft h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h e i r s a f f e c t i n gd e g r e e ，t h et - s h a p eg r o o v ed r yg a ss e a li ns y n t h e s i sg a sc o m p r e s s o rw a s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e da sa m o d e l a tf i r s t ，t h er e s e a r c hd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hm e t h o d so fs e a lt h e r m a lf i e l d 、 s e a ld e f o r m a t i o n 、s e a lc o u p l i n g 、s e a lo p t i m i z a t i o na r el e a m e db yt h er e l a t e d d o m e s t i ca n do v e r s e a sd a t a ，a n dt h er e s e a r c hs c h e m ei sd e t e r m i n e d ；t h r o u g ht h e t h e r m a l 、s t r u c t u r e 、c o u p l i n ga n a l y s i st h e o r y ，a n dt h e c a l c u l a t i o na n dr e s e a r c h m e t h o d sa r ed e t e r m i n e d b a s e do i lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es t a b l es t a t et h e r m a lf i e l dm o d e lo fs e a lp a i r w a se s t a b l i s h e db yt h e r m a lb a l a n c ea n a l y s i sa n dm o d e ls i m p l i c i t y ，t h et h e r m a lf i e l d w a ss o l v e db yn u m e r i c a lm e t h o d ，t h et h e r m a ld i s t r i b u t i o nr u l e sa r eo b t a i n e d ；t h o u g h t h er e s e a r c ha b o v e ，t h et h e r m a l - s t r u c t u r a lc o u p l i n gd e f o r m a t i o nw a ss o l v e d ，a n dt h e d e f o r m a t i o nr u l e sa r eo b t a i n e d ；t h ei n f l u e n c eo fc o n d i t i o np a r a m e t e r s 、m a t e r i a l p a r a m e t e r s 、s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs e a lp a i ro nt h ea x i a ld e f o r m a t i o n 、d e f o r m a t i o n c o n i c i t y 、d e f o r m a t i o nc u r v a t u r eo fs e a le n df a c ei sa n a l y z e d ，a n df i n do u tt h em a i n e f f e c tf a c t o r s ；t h ed e f o r m a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o do fs e a lp a i rw a sd i s c u s s e d ，a n d t h e o p t i m i z a t i o n s c h e m ei s p r e s e n t e d b a s e do nt h et h e r m a ld e f o r m a t i o n i i 西华大学硕上学位论文 c o m p e n s a t i o nt h e o r y ，a n dt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no f t h eo p t i m i z e ds e a li sc a r r i e d o u t ，a n di t sr e s u l t sp r o v e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei sf e a s i b l e b yt h ep r o f o u n dr e s e a r c ho nt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no ft - s h a p eg r o o v ed r yg a s s e a l ，s o m eu s u a lr u l e sa r eg a i n e d ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n d o p t i m i z e dd e s i g no fd r yg a ss e a l ，a n dp r o v i d eb a s ef o rt h en e x ts t e po fs e a l i n s t a n t a n e o u sa n a l y s i s 、m u l t i f i e l dc o u p l i n ga n a l y s i s 、o p t i m i z e dd e s i g n ，e t c k e yw o r d s ：t - s h a p eg r o o v ed r yg a s ，t h e r m a lf i e l d ，t h e r m a ld e f o r m a t i o n ， o p t i m i z a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 西华大学硕十学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取 得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：翔p 2 帕少年月 导师签名：年月日 7 1 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密d ，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：李卿 日期：细7 多 7 2 指导教师签名： 日期： 吟石 珠箍要 西华大学硕上学位论文 1 绪论 干气密封( d r yg a ss e a l ) 的概念是2 0 世纪6 0 年代末在气体润滑轴承的 基础上发展起来的，是对接触型液膜机械密封的改进【l 】。干气密封作为一种 非接触式密封是目前密封技术研究的热点，其极限速度高，密封性能好，寿 命长，不需密封油系统，功率消耗少，操作简单及运行维护费用低。干气密 封作为不需任何密封端面冷却和润滑用油的无维修密封系统，正取代浮环密 封和迷宫密封而成为石化行业高速离心压缩机轴封的主流【2 】。 1 1 课题研究目的和意义 。 随着工业的高速发展，密封的工作状况趋于高温、高速、高压，在实际 应用中，不可避免的会出现密封失效。造成密封失效的原因很多，封端面变 形就是主要原因之一。关于密封端面变形问题，近年来研究工作者作了大量 工作。但主要集中在计算接触式机械密封端面变形，很少涉及到干气密封端 面变形。对于干气密封端面热变形研究主要有热一力耦合变形的计算和密封环 端面变形对密封性能的影响。对于探究哪些设计因素导致了端面变形和其影 响程度少之又少，更不用说对干气密封的优化设计。但是，在有限的研究资 料和试验中，可以发现一个共同的结论，就是干气密封环端面变形的计算结 果表明热变形在端面变形中起着主导作用【3 4 】，尤其是在高速情况下，端面的 热变形更加严重【5 】，不仅仅导致泄露量增加和点接触，甚至使干气密封短期 内失效报废，大大降低了使用寿命。因此，有必要将研究焦点放在干气密封 端面热变形上，进行深度计算分析，并给出控制端面热变形的安全可靠的方 法，从而指导干气密封的设计与应用。 本文首先计算干气密封动静环的温度分布和温度梯度分布，并对密封环 温度场进行分析。在此基础上，对密封动静环热变形进行计算，进而分析影 响密封环热变形的相关设计因素，找出主要影响因素。最后，提出基于动静 环热变形补偿理论的优化设计方法，优化设计干气密封动静环并仿真验证。 1 2 国内外研究现状阳】 对干气密封端面变形研究工作主要集中在以下几个方面： 1 两华大学硕士学位论文 ( 1 ) 密封环温度场的研究 ( 2 ) 密封环变形的研究 ( 3 ) 密封环耦合研究 ( 4 ) 密封环的优化研究 1 2 1 密封温度场研究进展 密封环温度场的计算是研究密封环热变形的基础，密封环的温度也是影 响密封性能的主要参数之一。因此，密封环温度场的计算一直受到密封工作 者的关注。温度场的计算主要有三种方法：解析法、有限元法和有限差分法。 由于密封环温度场的复杂性，应用解析法很难得到准确解；同时，由于计算 机的快速发展，有限元法和有限差分法计算精度得到很大提高。因此，国内 外学者大多采用有限元方法进行求解。 早在2 0 世纪7 0 年代，g a b r i e l 6 】就对密封环温度场进行了初步的研究 并提出了影响密封环温度场的主要因素有：主轴的转速、密封腔的压力、介 质的粘度及密封环的材料等等。同期，c h i n h s i u 对接触式机械密封环热变 形进行了研究，认为，密封环热变形是导致密封失效的主要原因，密封环热 变形会导致密封端面形成发散的间隙，密封环温度梯度的大小直接影响密封 环变形量的大小。但是上述两位学者都没有提出具体的计算模型，也没有通 过实验加以验证。 上个世纪9 0 年代初e t s i o n 和p a s c o v i c i 7 】等人首次解决了考虑未对准 端面对端面温度分布的影响，应用热流体动力学( t h d ) 建立数学模型。对 密封作了如下假设：1 ) 密封间隙流体为粘度牛顿流体；2 ) 流体充满密封间 隙，气蚀现象由于流体径向流体动压力降被消除；3 ) 动环和静环表面流体 温度和热传导系数己知；4 ) 静环同密封流体之间的对流热传导与同动环之 间的对流热传导比小得多，可以忽略；5 ) 流体膜产生的热量都传给了密封 环。在上述假设的基础上，对能量方程进行简化求解，得到压力和温度分布。 得出由于未对准产生的周向温度变化同平均温度相比很小，忽略不计。尽管 这种方法建立在一系列的简化假设之上，也没有其他的理论和实验结果相比 较，为以后复杂的热摩擦问题指明了方向。 随后，由于计算机和有限元方法的发展和成熟，计算流体力学( c f d ) 2 西华大学硕十学位论文 得到快速发展。s l a m a c k 和r a c h m a t 8 】等人基于计算流体力学理论，采用 s i m p l e r 算法，计算了密封系统温度分布和热传导系数并与l e b e c k 9 1 试验 结果进行比较，得出数值计算与实验值之间的差别主要来自于作用面热源的 计算。认为密封径向和轴向的温度梯度是影响端面间隙和密封性能的主要因 素，并提出密封腔内温度分布除了密封座部位外基本上是均布的；随着旋转 速度的增加，最高温度同接触面流体平均温度的差减小。 o 2 5 f i g 1 1p a r c i zs e a l sa n d i t sf l u i ds i m p l i f i e dm o d e l 图1 1p a r c i z 密封环及密封腔流体简化模型 上个世纪9 0 年代末，p a r c i z 1 0 】等人建立了一个轴对称二维计算模型， 如图1 1 所示。用于预测机械密封腔内的流场及动静环内的温度分布。采用 水为流动介质、等径密封腔、湍流密度为4 的k e 模型，此模型是用来确 定密封件湿表面的努塞尔数( n u 数) 。n u 数用于计算密封面上的温度分布， 计算结果表明，流动变化最大的程度发生在动环表面靠近动静环交界处。结 果还表明，密封表面越靠近内径处温度越高，这是由于靠近轴套周围有间隙 空气，其对流传热较差造成的。作者同时改进了数值方法的计算能力，使之 能用于不同工作条件下的不同密封设计。整个计算过程在应用商业软件 f l u e n t 上完成，在计算时把密封腔、动静环以及密封腔内的介质作为一个 整体处理，密封端面摩擦热作为内热源处理，其速度的边界条件采用l d v 3 西华大学硕士学位论文 进行测量，其介质是常温状态下的水。虽然没有给出机械密封温度场的有限 元模型，但是给出了密封环内径处的对流传热系数的计算方法，并对密封环 温度、材料导热系数及端面热流密度之间关系进行研究。 2 0 0 4 年，文献【1 2 】给出了简化计算非接触式流体润滑机械密封温度场的 t e h d 模型。文章给出一些简化计算公式，用来确定密封环温度场，并与数 值计算结果进行了比较；但这种方法只能满足工程计算需要，粗略估算密封 环温度场，并不能用于科学研究。 国内，主要集中对机械密封端面温度分布的研究。李克永 13 1 、李红【1 4 】 等利用解析法建立了机械密封环稳态温度场模型。为了便于推导公式，进行 了一系列假设和简化，主要有：1 ) 温度场为稳态温度场；2 ) 密封环的导热 系数k 为常数，并假设同二边界处的对流传系数为常数；3 ) 密封环轴对称； 4 ) 忽略因热辐射导致的热损失；弓) 密封环内无内热源。但是，由于机械密 封环通常都要安装在环座上，密封环大部分边界都不直接与周围流体对流传 热，而是通过环座来进行。假设密封环为矩形或者能被分成矩形块和其边界 直接与周围流体进行对流传热。这个假设并不符合实际情况，容易增大计算 误差。并且没有给出对流传热系数的计算方法，而是采用试验值。 陈文毅【l5 | 、法元金【l6 】利用有限元法对机械密封环的稳态温度场进行了计 算，为建立机械密封的有限元计算模型，他们也对密封环作了与前文相同的 假设。依据变分法原理推导了温度场计算的有限元模型。法元金给出了6 结 点和8 结点三角形等参单元的有限元模型，并编制了f o r t r a n 语言计算程 序，该程序可以求解各种传热边界条件的机械密封温度场问题，并且还给出 了对流传热系数的计算方法。该计算方法针对动、静环的不同情况给出了不 同的计算公式，并结合试验给出了公式的修正系数，但该方法只适合计算内 流式机械密封外径处的对流传热系数。陈文毅给出了3 结点单元有限元模 型，把机械密封动环、静环及其环座作为一个整体进行计算，避免了热量在 动环、静环上的分配比问题的计算，但是对流传热系数仍然采用试验值。根 据计算结果可以得出以下结论：1 ) 径向温度梯度比轴向温度梯度小，因此 端面的热变形主要是由后者引起的；2 ) 在半径小的地方温度比半径大的地 方温度高，因此热变形沿半径方向逐渐减小，端面成收缩锥形；3 ) 靠近端 面的轴向温度梯度大，因此热应力主要集中在端面上。 4 西华大学硕士学位论文 张书爿1 7 】应用有限元法计算了稳态机械密封的温度场。采用整体法计算 温度场，这样避免了密封环间热量分配的麻烦，简化了计算。通过对摩擦热 和对流换热系数进行计算，得到以下几点结论：1 ) 密封环的换热系数即使 在较大范围内变动时，密封环间的热量分配主要取决于密封环材料的导热系 数；2 ) 端面上的平均温升与摩擦热成正比关系。降低摩擦热是防止平均温 升过大的有效措施之一，而减少摩擦热的途径是降低摩擦系数和减少端面比 压；3 ) 若仅从降低端面温度的角度出发应该把导热性能好的材料做动环；4 ) 密封环内的温降主要集中在端面附近，而且轴向的温度梯度比径向温度梯度 大。 顾永泉【1 8 利用有限差分法计算了机械密封的温度场，缺点在于对于复杂 端面的机械密封来说，计算过程过于繁琐，不利于计算机处理。 王胜军 6 9 应用有限元法计算了上游泵送机械密封；刘雨) l l t 2 6 应用有限差 分法对气膜密封温度场进行了计算和分析，但误差较大。 1 2 2 密封环变形求解进展 密封变形是导致密封失效的主要原因，特别是当今密封环境趋向高速、 高压和高温方向发展，密封变形问题显得更加突出。为了减小控制密封变形， 改善密封性能，计算变形必不可少。干气密封变形主要有热变形和力变形。 机械密封变形的计算方法主要有圆环理论、边界元法和有限元法三种 【1 1 】。圆环理论在计算简单密封环形状时计算值与试验值比较一致，但在计算 复杂密封环形状时计算值与试验值差别很大p a r c i z 认为应用实验和计算相 结合的方法来计算温度分布是准确的，同样也认为密封环最高温度发生在靠 近内径处，最大的温度梯度发生在靠近动环端面处。 1 9 8 1 年，m a y e r 1 9 】采用圆环理论法计算了机械密封的变形，他认为影响 变形的因素有两个：力和温度。他把力的影响分解为径向力和轴向力的影响； 把温度梯度的影响分解为轴向和径向温度梯度的影响。在机器刚刚启动时， 密封环内的温度是变化的，具有不稳定性。经过一段时间后，传递给密封环 的热量和密封环向周围介质所散失的热量相等，达到了稳定的传热状态，此 时在密封环内建立了一个稳定的温度场，密封环内各点具有与初始不同的温 度，因而使密封环产生热变形【2 0 | 。机械密封变形的计算方法主要有圆环理论、 5 两华大学硕十学位论文 边界元法和有限元法三种。圆环理论在计算简单密封环形状时计算值与试验 值比较一致，但在计算复杂密封环形状时计算值与试验值差别很大，所以后 来都采用收敛性好和能适应复杂密封环截面形状的有限元法和边界元法来 处理机械密封变形问题。 1 9 7 6 年，l i 【2 i 】利用有限元法计算了机械密封的变形问题，主要是利用 有限元对机械密封的热变形进行了计算，发现热变形能使平直的密封端面沿 着径向变形，端面产生一定锥度。当密封进行干摩擦时，变形更严重。热变 形使得内径处密封端面磨损加剧，必须尽量合理控制热变形。 1 9 8 6 年，d o u s t 2 2 】介绍了一种新的计算机械密封变形的方法一边界元 法。他根据边界元法计算原理建立了机械密封变形计算的模型，并编制了计 算密封环变形的程序。通过试验对计算结果进行了验证，发现实验值与计算 值比较相符。但边界元法在处理边界条件时比有限元法复杂。 1 9 9 0 年，博格曼公司的z e u s 2 3 】分析了气体润滑和液体润滑非接触端面 密封能量消耗。计算了密封工作中搅拌热和剪切产生的热量和温度分布，通 过有限元分析验证了能量方程的正确性。整个计算过程是在有限元软件实现 的，并以v 型槽非接触端面密封为例。指出：1 ) 由于密封在运转过程中， 端面被稳定流体膜分开，所以磨损只发生在密封开、停阶段；2 ) 端面间流 体膜粘性剪切是系统中热量的最主要来源；3 ) 在高速运转密封中，密封腔 中的搅拌热是不可以忽略的；4 ) 热量通过泄漏和端面材料的热传导传到周 围的介质中，液体润滑密封由于严格控制泄漏量，故由泄漏带走的热量可以 忽略，气体润滑密封中，泄漏带走的热量不可以忽略。p a r m a r t 2 4 对机械密封 温度变形控制进行了研究，主要讨论了锥度对变形的影响。提出消除压力锥 度和热锥度可以使流体膜维持平行，如果压力变形和热变形减至最小，可以 得到最稳定的密封特性。控制和消除压力锥度的技术已经成熟，但是热锥度 不易消除，人们常采用减小热锥度的方法降低界面温升，使用膨胀系数低的 材料或密封元件边界绝热。并提出，热锥度主要是密封件轴向的温度梯度造 成的，通过合适的界面设计，可以控制热锥度。适当的控制几何形状使静环 的负热转角与常用的动环元件的正热转角匹配，在运转工况范围内，使净热 转角近似为零。把零净热转角同人们熟知的压力变形控制结合起来，尽管有 机械载荷及热载荷，密封端面会维持一近似平行的流体膜。 6 西华大学硕上学位论文 4 0 0 0 k o ta f 一2 0 。7 评o 一c， pb0 2 m i - 3 ：7 ； i ! i7 i l l ，川l l ； i ； ；： l 一f ：i i i 卜一 i o - 3 s p dh iil ， i ；叫 7 0 - - 4ij 6 7 11 皤r ；1 1 l l i i i 瞪豫jlii 嗣li ! ；： l；i 1 - 傩 i 1 l i i j 】 i ：f l ：r - i 州l6 j 竿蕈目 ，l jii ；l j li ji 础l 一 ，li：l lil j i t 峥拖 i t ii 重i ；! i 、j ，2 ：j ：j ef7fffj 、i ：ii i jj j j 。ti 。上 7 。 牲2 7 m 一 l 5 o b膏 1 卜2 z1 _ f i g 1 - 2l e b e c ka n a l y z e dt h es i m p l i f i e dt h er o t a t i n gr i n g 图1 - 2l e b e c k 对动环的分析简化图 1 9 9 2 年，l e b e c k 【2 5 】分析了引起端面变形的各种载荷，并比较了几种计 算端面变形的方法，详细阐述了圆环有限元方法，如图1 2 所示。对螺旋槽 干气密封端面缝隙流体的压力分布和温度分布计算和试验方面的文献也可 以见到。通过总结机械密封变形的计算和对端面间流场温度和压力的数值计 算，基本上可以为螺旋槽干气密封端面变形的计算提供思路和基础。 张书爿1 6 】对机械密封的力变形和热变形给予了全面的考虑。通过计算发 现热变形是机械密封变形的主要形式。讨论了热变形、力变形与密封环的结 构、材料及使用条件的关系，并认为：1 ) 密封环的力变形与密封环材料的 弹性模量成正比，热变形与线膨胀系数成正比：2 ) 工作压力与力变形成线 性关系，但是由于弹簧力的影响，该线不通过坐标原点；3 ) 平衡系数对力 变形影响不大，主要是由于动静环间的密封面相对较窄的缘故；4 ) 密封环 的结构改变，相应的力变形值也有所改变；5 ) 密封环的热变形受换热系数 的影响较小。 1 9 9 9 年，z u k 采用近似积分法研究了可压缩流体气体端面密封的端面 变形。不管间隙内的流动为层流或者湍流，在分析中采用的模型均能够模拟 在亚音速或者湍流条件下的薄膜密封特性；同时还能解释惯性损失。在忽视 7 两华大学硕士学位论文 流体惯性力的影响( 完全曲线流动) 和密封端面轻微变形的情况下，流体流 动不管是层流还是湍流，其分析结果如下：1 ) 压力分布与流体特性无关；2 ) 如果给定特征膜( h 出，= ( 向弘；厅。) l 3 ) ，可以采用平行平面的泄漏量方程。 并且，分别研究了发散间隙和收敛间隙端面的压力分布。 王美华采用三角形有限单元法对人字形螺旋槽的热变形和力变形进行 了分析，调用了s a p 5 一线性系统静力和动力响应结构分析有限元程序，对 密封环的力变形、热变形进行了计算。在计算过程中，认为动静环的变形是 轴对称的，把o 形圈同静环组件当作一个整体来计算静环的变形。 刘雨川、洪先志、冯向忠、陈铭、陈晓宁【4 _ 6 之9 】等一些学者也对密封变 形作了大量研究。 1 2 3 密封环耦合研究进展 在机械密封装置运转过程中，由于密封环的变形和温升相互影响、密切 联系，仅对机械密封环进行变形或温度场分析都不能准确全面地获得密封性 能，从而提出了热一结构耦合分析研究的需要。 在耦合分析的研究上，国外学者做出的工作较多，他们的研究类型不仅 包括稳态，还包括瞬态，耦合的物理场不仅包括应力场和温度场，而且还涉 及流场。 r a h u ln s a m a n t 等人就在a n s y s 软件上对机械密封环进行热一结构耦 合分析指出了一些基本的思路 3 0 】。主要为：( 1 ) 使用具有热和结构分析能力的 2 维轴对称单元p l a n e1 3 来建立动静环的实体模型；( 2 ) 使用杆元l i n k 3 4 来模拟动静环端面间的接触热传导：( 3 ) 采用2 维点一点接触单元c o n t a c1 2 来模拟动静环端面间的摩擦生热。 b e m a r dt o u m e r i e 等人针对密封环的启动过程，建立了热动力瞬态模型， 并使用影响系数方法对模型进行子热弹性耦合计算【3 1 】。 p a r v i z 使用有限元软件f l u e n t 对机械密封的温度场和流场进行了计算 【3 2 】：r a yc l a r k ，s h i r a z i ，s i a m a c ka 等人采用流体动力分析( c f d ) 软件对密封环 进行了以热一流场耦合为主的模型，并根据计算结果提出了改进动静环端面 冷却效果的相关措施【3 3 , 3 4 , 3 5 】；t o ml 触等使用c s t e d y 软件建立了相应的 耦合模型，该模型可预测的密封性能包括密封环变形、温度、端面液膜厚度 8 西华大学硕上学位论文 和泄漏率等【3 6 】；l i o n e la y o u n g 等建立了有限元分析与流体膜组合的 耦合模型，程序只需输出密封环几何形状和运行工况等，便可求出环变形、 温度、端面液膜厚度和泄漏率【3 。 对于耦合分析，国内也有类似的研究。其中成果较突出的有北方交通大 学的丁群建立的流场、热场和应力场三者耦合的系统模型【3 8 】。模型的新颖性 在于将三场的耦合分为三个过程：先进行热流场直接耦合分析求出换热边界 的对流系数，再进行流热场间接耦合分析求出温度场，最后进行热应力场的 间接耦合分析求出热应力分布。 1 2 4 密封环的优化研究进展 机械密封环在变工况下运转时呈现与稳态下不同的特性一动态特性，国 内学者对此进行了一定层次的研究。谢启祥分析了船用变压机械密封装置的 密封端面比压、变形量、变形锥度和摩擦系数 3 9 】。h a r p ，s r 建立了预测机 械密封环瞬态特性的数学模型，可分析变速条件下密封端面液膜厚度、压力 分布、生热率、变形和泄漏率等参数 删。g r e e n ，i t z h a k 等考虑微凸体接触和 端面变形进行了平稳加载和降载的数值分析，得出了机械密封环一系列动态 密封特性【4 1 | 。 x i o n g ，s h u n h e 等建立了接触型机械密封的动态模型，模型主要分析了 变工况对端面泄漏的影响【4 2 1 。机械密封环的变工况试验研究表明，由变工况 引起的端面液膜失稳是导致密封性能恶化的主要因素，但这一因素很难定量 分析, 4 4 , 4 5 。 随着国内外对机械密封装置性能参数指标要求的不断提高，机械密封性 能进行优化的研究得到一定发展。目前针对机械密封性能的优化主要有三大 领域；第一，密封端面参数优化，主要研究密封端面的激光加工处理和端面 开槽 4 6 。5 0 】；第二，密封环境优化，主要研究从端面的冲洗冷却【5 l 】，第三，机 械密封环的结构优化，主要研究密封环的结构尺寸【5 2 5 3 1 。 1 2 5 研究现状分析 从近年来国内外有关机械密封和干气密封的密封温度场和密封环变形 的分析中可以得出： 9 西华大学硕十学位论文 ( 1 ) 温度场的研究还仅限于接触式机械密封的研究， 密封温度场进行全面的分析研究还很少： ( 2 ) 有关端面变形研究主要集中于接触式机械密封， 面变形研究较少： 对非接触式干气 对于干气密封端 ( 3 ) 对于干气密封端面变形的计算研究，大多都基于整体法，研究力 变形和力热耦合变形，很少对热变形进行宏观和深入研究； ( 4 ) 没有从热、力变形相抵消的角度去考虑干气密封的优化设计，也 没有从动、静环变形配合角度考虑干气密封的优化设计； ( 6 ) 有关干气密封端面变形的实验研究还很缺乏。 1 3 研究方案 1 3 1 研究内容 目前国内与国外相比，对气体密封的研究还存在着很大的差距，所以国 内应用于工业上的密封还主要来自国外进口。而且，现在的文献资料主要都 是对螺旋槽气体密封的研究和应用，还少有对t 型槽干气密封的理论进行专 门的研究，本文根据一个t 型槽干气密封的应用实例为分析对象。 本文紧密联系工程应用，对t 型槽干气密封热变形进行深入的研究，讨 论密封设计参数对动静环热变形的影响，以期得到一些普遍性的规律，为干 气密封的优化设计和工业应用提供依据。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过热平衡分析和模型简化，建立稳态干气密封动、静环温度场 的有限元分析模型，应用数值方法对密封环温度场进行求解，探寻温度分布 规律； ( 2 ) 通过对密封环温度场的研究，进而求解干气密封动、静环的热结 构耦合变形，探寻变形规律； ( 3 ) 通过6 8 组密封环端面热变形的仿真实验，分析密封环的工况参数、 材料参数、结构参数对密封动静环端面轴向热变形的影响。 ( 4 ) 基于动静环配合自动热补偿的优化理论，优化设计密封动静环， 并重新进行热变形分析，以验证这种优化方案的可行性。 1 0 西华大学硕士学位论文 1 3 2 研究目的 通过对干气密封温度场、热变形的计算和分析，确定影响密封环热变形 的主要因素，从而指导密封环的优化设计。 1 3 3 研究方法 ( 1 ) 选用a n s y s 软件。国内外研究现状表明，密封变形的准确计算需 要借助一定的软件平台。鉴于目前有限元软件在系统建模中的主导地位和 a n s y s 软件在有限元分析中的专业性和具备强大的物理场耦合分析能力， 因此选用a n s y s 作为机械密封性能计算的软件平台。 ( 2 ) 热结构耦合变形分析法。如果只考虑温度场引起的动静环热变形， 无法宏观的观测出动静环的热变形，而只能通过热应力来体现热变形。如果 考虑热力耦合变形分析方法，影响变形的因素太多，对于动静环的热变形聚 焦研究产生了众多干扰。因为密封环在实际应用中不可能处于真空状态，研 究热变形也不可能研究处于真空状态密封环的热变形，因此采用热结构耦合 变形分析方法，即添加热载荷和约束条件，剔除力载荷，通过热弹性分析求 出宏观的热变形。因此，本文所提到的热变形均指热一结构耦合变形。 ( 3 ) 分体分析法。密封环的变形分析有整体法和分体法两种，它们都 是从机械密封环结构分析的基本理论直接演变出来的。整体法的优势在于可 以考虑静环的浮动性，而劣势在于忽略了动、静环密封端面热变形的差异， 不能反应出端面的局部热变形。本文需要考虑端面径向温度梯度对热变形的 影响，可以忽略静环浮动性，因此，此时必须把非接触的动静环的两个端面 看作为单一物体来分析温度场。最后，添加热膨胀系数和约束条件，求出热 变形。 ( 4 ) 直接耦合法。在有限元法的耦合场分析中，耦合方法可分为间接 耦合法和直接耦合法两种。间接耦合法是以特定的顺序求解单个物理场的模 型，前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加，也称之为序贯耦合法， 其优势在于收敛性较好。直接耦合法是利用包含所有必须自由度的耦合单元 类型，仅通过一次求解就得出耦合场的分析结果。直接耦合的优势在于求解 问题的非线性程度较高，本文采用直接耦合方法。 ( 5 ) 轴向热变形求解。密封环端面间气膜的厚度直接影响了密封性能， 1 1 两华大学硕士学位论文 而密封环的轴向热变形直接影响了动静环的端面间距。径向热变形对动静环 的端面间距没有影响，总热变形也无法分析计算出密封动静环的端面间距。 因此，本文只关心轴向热变形。 ( 6 ) 单变量与插值法。为了研究参数的设计和选择对热变形的影响， 从而指导密封环的材料选择和结构尺寸设计，采用考虑某一因素单独作用时 产生的影响，即将该参数设为变量而固定其余参数。为了研究各个参数变化 趋势对密封环热变形的影响规律和影响程度，从而找出参数优化的选取方向 和主要影响因素，采用插值法，且在原有设计参数的基础上，采用固定比例 插值选取法。 ( 7 ) 经验公式法。对于热载荷、对流系数的计算、热量分配均采用经 验公式法。 1 4 本章小结 首先结合国内外相关资料，分析了密封环温度场、密封环变形、密封环 耦合、密封环优化等方面的研究进展与研究方法，从而确定本文的研究方案， 指出了研究目的和研究内容；通过热、结构及耦合等理论分析，确定本文的 计算研究方法。 1 2 两华大学硕士学位论文 2 热一结构耦合变形基本理论 由于干气密封变形会导致密封端面点接触、泄漏量增加、端面间气膜最 小厚度减小、气膜不均匀等一系列问题，最终将导致密封失效。由于目前密 封变形无法通过实验进行研究，因此，需要对密封变形规律进行计算，并掌 握密封变形的规律，从而找到控制密封变形的方法，指导密封的设计。 计算密封环变形的方法主要有三种：圆环理论、边界元法、有限元法。 随着计算机的发展，有限元法成为应用最为广泛的数值方法。有限元法无论 从准确性和效率性上都要优于另外两种方法【5 4 1 ，因此，本文应用有限元法计 算密封环变形。 本文主要研究密封环的热变形，如果仅考虑温度场只能通过热应力来体 现热变形，所以加入了位移约束条件从而可以宏观的观测出密封环端面的热 变形。故密封环热变形的计算需要以下三种理论支持：热分析理论、结构分 析理论和热结构耦合分析理论。 2 1 热分析理论 2 1 1 温度场计算微分方程 根据传热学的基本理论5 5 1 ，在二维轴对称稳态温度场中，固体导热的微 分方程可表示为： 堡+ 坚+ 土塑：0 ( 2 1 ) 矿+ 萨+ j i 2 忆1 式中：丁为物体的温度；工为径向；y 为轴向。 固体导热的微分方程要获得唯一解，必须要借助热边界条件。目前常用 的热边界条件主要有三种： 1 ) 第一类边界条件：指固体边界上的温度函数已知。第一类边界条件 一旦施加，边界的温度就不会随其它任何因素的影响而恒定不变，因此第一 类边界条件通常可成为恒温边界。其用公式可表示为： 列r=l(工，y)(2-2) 式中：r 为物体的恒温边界，其正方向为逆时针；t w ( x ，y ) 为已知边界的温 13 西华大学硕上学位论文 度函数，只与坐标的位置有关。 2 ) 第二类边界条件：指物体边界上的热流密度大小已知。 的方向与边界面外法线方向正好相反，则可用公式表示为： 一五矧r 吲w ， 若热流密度 ( 2 3 ) 式中：彳为物体材料的导热系数；q ( x ，y ) 为已知的热流密度函数，也只与坐 标的位置有关。 3 ) 第三类边界条件：指物体相接触的流体介质温度和换热系数均已知， 可称为对流换热边界。用公式表示为： ) 丁i 一五鼍叫= a ( t ( x ，y ) 一乃( x ，少) ) ( 2 - 4 ) d 行l r 式中：口为流体的对流换热系数；t f 为流体介质的温度。 根据第三类边界条件的表达式，可以得出三个重要推论： ( 1 ) 当对流换热系数口= 0 时，物体表面温度与流体介质温度无任何关 系，这相当于绝热边界，无散热效果； ( 2 ) 当对流系数口j o c 时，可得r ( x ，y ) i r = 0 ( x ，y ) ，即物体表面温度 与流体介质温度相等，这相当于恒温边界条件，可见第一类边界条件是第三 类边界条件在的对流换热效果最佳的极限； ( 3 ) 流体介质温度和换热系数的已知性表明，它们是恒定不变的；而 在工程实际的对流换热中，由于热量的传递，流体介质的温度应是变化的， 且对流换热效果也会因流体介质与固定边界的温差不同而有相应的变化，可 见对第三类边界条件只是对流体与固体边界换热工况的理想近似。 2 1 2 温度场有限单元法变分运算 由于固体导热微分方程是一个二阶微分方程，对方程进行直接离散有一 定的困难。因此在有限单元法中，通常做法为先根据固体导热微分方程构造 单元的泛函，在采用变分( 泛函中的变分相当于普通函数的微分) 的方法进 行处理。鉴于泛函是简历在单元的基础上，因此有必要先对单元的插值函数 作简略介绍。 14 西华大学硕士学位论文 1 轴对称四边形单元温度插值函数的定义 由于同样是轴对称四边形单元，因此温度与位移的插值函数极为相似。 设标准坐标系( 孝，7 7 ) 和物理坐标系b ，y ) 与受力分析模型中完全相同，物理坐 标系中四边形的四个节点( 按逆时针顺序) 的温度依次为互、乃、乙、乙， 同时假设温度的插值函数为： t = c o + c l 孝+ c ：r + c 3 翻 ( 2 5 ) 式中：c o 、c l 、c 2 、c 3 均为常系数。 通过标准坐标系的四个节点坐标和物理坐标系的四对应节点温度，可求 解四个常系数关于四对应节点温度的表达式，并代人插值函数得以四节点温 度表示的插值函数形式： t = h ，互4 - h 乃+ h 。乙+ 日p t ( 2 - 6 ) 式中：h i ：鱼兰亟掣为型函数， f 、j 、k 、p 轮换。 2 内部单元和边界单元的泛函和变分 根据g a l e r k i n 法的定义，权函数彬= h ，f 、，、k 、p 轮换轮换，则 各边界条件的泛函和变分形式分别如下。 对于第一类边界单元，绝热边界单元和内部单元，其泛函形式为( 线积分 项为零) ： = 略 ( 誓) 2 + ( 等) 2 a x a y ( 2 _ 7 ) 式中：；表示第一类边界单元、绝热边界单元和内部单元的泛函，相应的 变分可