螺旋槽干气密封环强度问题研究

作     者：马爱琳 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋鹏云

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：螺旋槽干气密封 强度 振动 近似解析 数值模拟 

摘      要：螺旋槽干气密封越来越多地应用在高压、高速、大尺寸的场合,目前的干气密封动环材料多采用碳化硅、碳化钨、硬质材料等,这些材料虽然硬度高,但是属于脆性材料,在运行过程中可能会出现裂纹甚至破裂,导致密封失效,甚至危害到主机安全。本文对密封动环强度及振动问题进行了研究。对于外高压(泵入型)的螺旋槽干气密封,在对其动环进行受力分析后得到在离心力单独作用时,密封动环所受应力最大,应用弹性力学理论和数值模拟方法,考察了动环在离心力作用下的应力与应变分布,并给出具体的案例。结果表明：数值法与解析法得到的结果接近,动环径向应力随着半径的增大,呈先增大后减小的趋势,而切向应力在内径处最大,随半径增加而减小;两种应力均随着角速度的增加而增大;随着密封动环尺寸的增大,应力增加。强度校核时主要针对切向应力,当切向最大应力超过其强度极限时,认为密封旋转环将产生裂纹或断裂,从而失效。基于窄槽理论,采用近似解析法对外高压(泵入型)与内高压(泵出型)两种结构下的螺旋槽干气密封气膜端面压力控制方程进行求解,得到端面气膜压力分布与开启力。之后将压力分布导入ANSYS-Mechanical中,求解两种模型下气膜力、离心力及介质压力共同作用时的应力与应变,对密封动环的安全性进行校核分析,并给出影响密封环强度的因素。结果表明：泵入型结构中同时考虑介质压力,气膜力,离心力作用时得到的应力与应变最小,强度满足要求。泵出型结构中,只考虑离心力作用时的密封环应力应变最小,考虑离心力与介质压力作用时得到的应力与应变最大。对考虑介质压力,气膜力,离心力作用时的密封环进行强度校核时,其最大应力大于许用应力,密封环可能出现破裂。因此需要优化结构及操作参数,转速,介质压力,膜厚及动环尺寸都对强度有影响。采用有限元法,对密封动环进行了模态分析,得到自由模态下和约束模态下的密封动环固有频率及振型;计算比较了离心力,介质压力和气膜力对密封动环固有频率的影响;并与文献试验值进行比对。结果表明：自由模态下,密封动环不受约束,振动变形较小。在约束状态下,低阶时,主要是轴向发生振动变形。高阶时,会出现径向变形。约束模态分析得到各阶固有频率较高。密封动环发生共振振的可能性较小。