核主泵用流线槽机械密封热流固耦合分析

作     者：周绍玉 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王和顺;张车宁

授予年度：2022年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：机械密封 密封性能 流固耦合 热流固耦合 端面变形 

摘      要：机械密封作为核主泵的核心部件,对核主泵的安全运行至关重要,由于核主泵用机械密封的介质压力高,加剧介质粘性剪切和端面变形、热变形,导致密封面内介质性质和端面形状显著变化。本文以核主泵用流线槽机械密封为研究对象,首先对比了THD模型（热流体动压）与HD模型（流体动压）下结构参数与工况参数对密封性能的影响,然后对密封环及端面流场进行单向流固耦合分析,最后对密封环及端面流场进行单向热流固耦合分析。主要结论如下:（1）考虑热效应对密封介质性质的影响,建立THD热流体动力润滑模型,对比分析THD和HD两种润滑数学模型下液膜压力分布及密封性能。结果表明:两种润滑模型压力分布趋势基本相同,但THD模型动静环端面相对运动产生大量的摩擦热降低了介质粘度,削弱了流体动压效应,使得流体膜压力峰值、液膜开启力、刚度均小于HD润滑状态下的数值;热流体动压下的泄漏量大于流体动压下的泄漏量,主要原因为流体动压下的流体膜粘度较大且同时存在有空化区。（2）THD模型与HD模型下结构参数对机械密封性能影响一致,趋势相同。随着端面间隙增大,在0～5μm时开启力、刚度、刚漏比快速减小,在5μm后趋于稳定,而泄漏量则呈先缓慢上升后快速增大的趋势;随着槽数增大,开启力、泄漏量、刚度都呈先上升后缓慢下降的趋势,在槽数为14个时达到峰值,刚漏比则呈快速减小后缓慢增大的趋势;随着槽深增大,开启力、泄漏量、刚度都呈先上升后缓慢下降的趋势,在6μm时取得最大值,刚漏比则呈快速减小后缓慢增大的趋势;随着槽坝比与堰宽比的增大,开启力、泄漏量和刚度都呈先增大后缓慢减小的趋势,在槽坝比、堰宽比均为0.6时达到最大值,刚漏比则一直减小。（3）在不同转速与压差下对不同材料的密封环进行了流固耦合及热流固耦合分析,分析了密封环力变形、热变形及热流固耦合变形。结果表明:三种材料的动环、静环的力变形、热变形、热流固耦合变形都随着转速与压力的增大而增大,力变形最小,热变形最大,热流固耦合变形居中,这是由于力变形与热变形相互影响导致热流固耦合变形小于热变形。三种材料中,建议选择SiC作为密封动环材料。