研究流体核主泵用流体动静压型机械密封性能与端面型槽优化设计

论文导读：漏率对核主泵用单锥度、双锥度流体静压型机械密封,锥面-微孔、锥面-大孔、锥面-超大孔组合端面流体动静压型机械密封进行了比较探讨,验证了部分论述预测结果,证明了新型双锥-大孔组合端面流体动静压型机械密封的先进性和可靠性。关键词：核主泵论文机械密封论文流体静压论文流体动压论文热弹变形论
摘要：一座百万千瓦级的压水堆核电站,有各种泵约130种,300台左右,其中反应堆冷却剂泵(Reactor Coolant Pump,简写为RCP,也简称为核主泵)属于核Ⅰ级泵,被称为反应堆安全运转的心脏。轴端机械密封是核主泵的关键部件,主要用于制约反应堆冷却剂沿核主泵泵轴的泄漏,与主泵的安全、可靠运转密切相关。据不完全统计,核电站放射性物质的泄漏理由40%起因于各类阀门密封不严,20%起因于核主泵轴端机械密封或轴承密封故障,其中最典型的事例是1979年美国三厘岛核泄漏事故,其起因就是核主泵轴端机械密封出现故障而引起,这次事故造成的直接经济损失高达7亿美元。目前,我国核主泵密封还完全依赖进口,不仅高,而且供货数量上还受限制,国家最高领导层及相关部委对此高度重视。由此,开展核主泵机械密封的设计论述与策略探讨,揭示机械密封各结构件之间的协同作用原理与密封机理,准确预测机械密封在高参数状态下的工作方式与规律,探讨并开发拥有我国自主知识产权的高参数核主泵机械密封,填补我国核技术领域的空白,以根本上解决目前迫切需要解决的核级密封不足,不仅对我国核电工业的快速与健康进展作用重大,而且对我国国民经济的长期持续进展与社会稳定具有十分重要的实际作用和战略作用。本论文针对目前国内外在役利用核主泵机械密封的结构特点及其在高参数操作条件下易受端面热弹变形影响的工作特点,主要开展密封热-流-固耦合浅析,在现有核主泵主型机械密封结构的基础上,发明新型结构并开展相关设计论述与加工制造策略探讨。主要探讨内容和结论如下：(1)考虑机械密封端面间密封流体流态的影响及流体粘度随压力与温度的变化,构建了三维稳态传热模型以及端面流体膜压力和密封环温度的制约方程,交叉采取有限元法及有限差分法并基于Matlab(?)件编制相应计算程序求解了有关方程；基于有限元轴对称变形论述计算密封环的热变形和力变形,对密封进行热-流-固耦合浅析,探讨了热弹变形对密封性能的影响规律；同时探讨了端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等参数随端面表面织构产生的变化规律。(2)提出了核主泵用双锥面流体静压型机械密封新结构,给出了锥面流体静压型机械密封端面几何参数的统一定义,并对其端面几何结构进行了优化设计；比较浅析探讨了双锥面与单锥面流体静压型机械密封在高操作参数条件下的密封性能,结果证明了双锥面机械密封具有比传统单锥面机械密封较大的液膜刚度和较高的可靠性,其中端面全加工双锥面机械密封比部分加工双锥面机械密封具有更好的稳定性与可靠性。(3)探讨了不同流态下双锥面流体静压型机械密封的密封性能变化规律,揭示了不同流态下双锥面密封的密封环温度场、端面液膜压力分布和端面液膜刚度的变化规律,以及双锥面密封相比较单锥面密封对流态和端面倾角的敏感度；通过不同流态下摩擦副配对材料对双锥面密封性能影响的探讨,证实了目前SiC-SiC、WC-WC和A1203-A1203三种常用配对副的合理性。(4)系统比较探讨了端面毫微米跨尺度孔对多孔端面机械密封性能的影响,提出并证实了大孔端面机械密封运用于高操作参数条件下核主泵的优势；基于大孔端面的流体动压效应,综合流体静压型机械密封和流体动压型机械密封的各自优点,提出了新型锥-孔组合端面流体动静压型机械密封,证明其相比于双锥面密封不仅具有高开启特性和液膜刚度,而且具有优良的耐磨性,给出了核主泵操作条件下这种新型机械密封端面几何形貌的优选值。(5)基于密封环的变形可控原理,提出了核主泵流体静压型机械密封端面锥度的设计与加工策略,成功加工出具有较高精度的单锥面机械密封和双锥面机械密封,在此基础上采取激光蚀刻技术加工端面多孔,样品成功用于实验探讨。(6)自主设计并搭建了核主泵用机械密封缩小型试验装置,通过测量端面温度,液膜厚度,泄漏率对核主泵用单锥度、双锥度流体静压型机械密封,锥面-微孔、锥面-大孔、锥面-超大孔组合端面流体动静压型机械密封进行了比较探讨,验证了部分论述预测结果,证明了新型双锥-大孔组合端面流体动静压型机械密封的先进性和可靠性。关键词：核主泵论文机械密封论文流体静压论文流体动压论文热弹变形论文锥-孔组合论文实验探讨论文
本论文由www.7ctime.com,需要论文可以联系人员哦。论文导读：设计71-793.3.1何模型71-723.3.2计算参数的选择723.3.3台面宽度比ξ_1对密封性能的影响72-743.3.4锥度对密封性能的影响74-783.3.5内锥面面宽度比ξ_2对密封性能的影响78-793.4流态对双锥面流体静压型机械密封性能的影响79-843.4.1湍流模型79-803.4.2计算参数的选择80-813.4.3流态对端面温度分布及液膜厚度的影响81
摘要5-7
ABSTRACT7-14
符号说明14-17
第1章 绪论17-41

1.1 课题来源及作用17-18

1.2 机械密封国内外探讨近况18-39

1.2.1 核电站、核主泵及核主泵密封18-24

1.2.2 密封端面的不对中与偏心24-25

1.2.3 流态及惯性效应25-26

1.2.4 端面热流体动压润滑(THD)及热弹性流体动压润滑(TEHD)效应26-27

1.2.5 核主泵密封设计经验27-29

1.2.6 核主泵密封其他探讨方向29-31

1.2.7 激光加工多孔端面机械密封论述31-33

1.2.8 端面液膜的空化不足33-36

1.2.9 机械密封实验探讨情况36-39

1.3 主要探讨内容39-41

第2章 流体静压型机械密封热流固耦合模型41-64

2.1 引言41

2.2 数学模型41-48

2.1 广义雷诺方程41-44

2.2 粘度方程44

2.3 能量方程44-47

2.4 热传导方程47

2.5 流体速度及其速度梯度47

2.6 边界条件47-48

2.3 机械密封的性能参数48-50

2.4 数学模型的无量纲化50-53

2.4.1 广义雷诺方程的无量纲化52

2.4.2 粘度方程的无量纲化52

2.4.3 能量方程的无量纲化52

2.4.4 热传导方程的无量纲化52

2.4.5 流体速度方程和速度梯度方程的无量纲化52-53

2.4.6 边界条件的无量纲化53

2.5 热力变形的有限元基本论述53-60

2.5.1 位移方式和插值函数54-55

2.5.2 单元应变及应力55-56

2.5.3 单元刚度矩阵56

2.5.4 等效结点载荷56-58

2.5.5 总体刚度矩阵及结点载荷列阵的集成58

2.5.6 密封环边界条件58-59

2.5.7 引入位移边界条件和线性方程组的求解59-60

2.6 计算流程60-62

2.6.1 温度场计算流程60-61

2.6.2 压力场计算流程61

2.6.3 总程序计算流程61-62

2.7 计算程序验证62-64

第3章 流体静压型机械密封性能探讨64-90

3.1 引言64

3.2 单、双锥端面流体静压型机械密封性能比较探讨64-71

3.

2.1 几何模型64-66

3.

2.2 计算参数的选择66

3.

2.3 液膜及密封环温度分布66-67

3.

2.4 端面温度和压力分布67-68

3.

2.5 端面变形后的端面形貌68

3.

2.6 压力和转速对密封性能的影响68-71

3.3 双锥面流体静压型机械密封端面优化设计71-79

3.1 何模型71-72

3.2 计算参数的选择72

3.3 台面宽度比ξ_1对密封性能的影响72-74

3.4 锥度对密封性能的影响74-78

3.5 内锥面面宽度比ξ_2对密封性能的影响78-79

3.4 流态对双锥面流体静压型机械密封性能的影响79-84

3.4.1 湍流模型79-80

3.4.2 计算参数的选择80-81

3.4.3 流态对端面温度分布及液膜厚度的影响81-82

3.4.4 流态对密封性能的影响82-83

3.4.5 密封环倾角对液膜流态分布的影响83-84

3.5 密封环材料对密封性能影响比较探讨84-89

3.5.1 三种材料密封环端面几何形貌优化设计84-85

3.5.2 液膜及密封环温度分布85-86

3.5.3 液膜压力分布86

3.5.4 动、静环端面温度分布86-87

3.5.5 密封环变形及液膜厚度比较87

3.5.6 介质压力对密封性能的影响87-89

3.6 本章小结89-90

第4章 锥孔组合端面流体动静压型机械密封性能探讨90-135

4.1 引言90-92

4.2 数学模型92-101

4.

2.1 几何模型92-93

4.

2.2 物理模型93-98

4.

2.3 密封性能参数98-101

4.3 斜排微孔端面机械密封富集效应的论述探讨101-107
4.

3.1 论述模型101-102

4.

3.2 计算参数选择102

4.

3.3 孔栏数对密封性能的影响102-104

4.

3.4 倾斜角对密封性能的影响104-105

4.

3.5 微孔数对密封性能的影响105-107

4.4 锥面-微孔组合端面机械密封性能论述探讨107-121

4.1 论述模型107-109

4.2 计算参数的选择109

4.3 低压工况下的密封性能探讨109-115

4论文导读：-1535.5实验探讨153-1595.5.1几何模型1535.5.2实验测试参数153-1545.5.3实验结果154-1595.6本章小结159-161第6章结论与展望161-1666.1结论161-1636.2革新点163-1646.3展望164-166参考文献166-181致谢181-182攻读学位期间参加的科研项目和成果182-183上一页123
.

4.4 高压工况下的密封性能探讨115-121

4.5 孔尺寸对密封性能的影响121-126

4.5.1 论述模型121-122

4.5.2 计算参数的选择122-123

4.5.3 孔径对密封性能的影响123-125

4.5.4 孔深径比对密封性能的影响125-126

4.6 锥-大孔组合端面流体动静压型机械密封性能探讨126-133

4.6.1 论述模型126

4.6.2 计算参数的选择126

4.6.3 膜厚较小时孔尺寸对密封性能的影响126-129

4.6.4 莫厚较大时孔尺寸对密封性能的影响129-133

4.7 本章小结133-135

第5章 流体动静压型机械密封性能实验探讨135-161

5.1 引言135-136

5.2 核主泵用机械密封试验台设计136-142

5.

2.1 设计要求136

5.

2.2 总体设计案例136-137

5.

2.3 试验台整体设计137-139

5.

2.4 密封腔的设计139-140

5.

2.5 压力系统的设计140

5.

2.6 温度制约系统的设计140-142

5.3 测量装置的选定及其测量策略142-145
5.

3.1 温度传感器的选择142-143

5.

3.2 压力传感器的选择143

5.

3.3 位移传感器的选择143-145

5.4 密封环端面形貌的加工145-153
5.

4.1 孔的加工145-146

5.

4.2 锥面的加工146-153

5.5 实验探讨153-159

5.1 几何模型153

5.2 实验测试参数153-154

5.3 实验结果154-159

5.6 本章小结159-161

第6章 结论与展望161-166

6.1 结论161-163

6.2 革新点163-164

6.3 展望164-166

参考文献166-181
致谢181-182
攻读学位期间参加的科研项目和成果182-183