離心泵人型槽環(huán)流迷宮密封動力學特性數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、高壓多級離心泵作為流體輸送核心裝置，在航天、石油化工、核電等行業(yè)受到廣泛應用。在此類裝置，特別是高壓多級離心泵中，由于平衡壓力及密封的需要，存在大量如密封口環(huán)、級間密封及平衡鼓等環(huán)流密封結(jié)構(gòu)。隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，用戶及設計人員對離心泵水力性能及動力學性能的要求也不斷提高，目前廣泛應用于離心泵中的光滑液體環(huán)流密封的密封性能及動力學性能正面臨巨大挑戰(zhàn)。對于液體環(huán)流迷宮密封、阻尼密封的密封性能及動力學性能的研究及其優(yōu)化設計逐漸興起，而針對螺旋

2、槽迷宮密封、人型槽迷宮密封等在實際工況中具有泵送效應的環(huán)流密封的密封性能及動力學性能的研究較少，如何準確、可靠地對此類密封的性能，尤其是動力學性能進行求解，探尋此類密封的優(yōu)化設計方法，是一個重要課題。
　　本文以人型槽液體環(huán)流迷宮密封為研究對象，分別針對螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封、人型槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封及人型槽定子齒迷宮密封的動力學特性進行研究，并通過不同工況、結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)對研究對象動力學特性的影響研究，探尋其優(yōu)化設計方法。同時，本文針

3、對研究對象展開一系列試驗研究以驗證數(shù)值計算方法的可靠性。論文的主要內(nèi)容包括以下四個方面:
　　第一，為了準確描述螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封間隙內(nèi)流體流動情況，提高密封穩(wěn)態(tài)流場、泄漏量及動力學特性的計算精度，對Iwatsubo提出的螺旋槽轉(zhuǎn)子迷宮密封的兩控制體分析方法進行完善。將周向動量方程、周向速度攝動量及其隨軸向坐標的變化加入螺旋槽轉(zhuǎn)子迷宮密封流體微元控制方程組中并提出相應求解方法。通過Iwatusbo的計算與試驗結(jié)果驗證新的分析方法

4、的有效性與可靠性，并利用提出的分析方法對比分析不同工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封密封性能及動力學性能的影響。
　　第二，結(jié)合新的螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封密封及動力學性能分析方法與Childs提出的有限長光滑密封動力學分析方法，提出適用于Blasius及Moody摩擦模型的人型槽轉(zhuǎn)子迷宮密封密封性能及動力學特性的分析及求解方法。基于該分析方法，分析人型槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封相對于光滑環(huán)形密封及螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封的性能優(yōu)勢，并對不同

5、操作工況、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)及表面粗糙度對人型槽迷宮密封動力學性能及穩(wěn)定性的影響進行詳細研究。
　　第三，為準確描述螺旋槽定子齒迷宮密封間隙內(nèi)流體的流動狀態(tài)，充分凸顯螺旋槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，將由螺旋槽引起的泵送效應加入Childs提出的螺旋槽定子齒間隙內(nèi)流體微元的控制方程組中，對螺旋槽流域穩(wěn)態(tài)流場求解進行修正。同時，結(jié)合有限長光滑密封動力學分析方法，提出人型槽定子齒迷宮密封密封性能及動力學特性分析及求解方法。對比相同工況、結(jié)構(gòu)型式下的人

6、型槽定子與轉(zhuǎn)子迷宮密封密封性能、動特性系數(shù)及穩(wěn)定性優(yōu)缺點，并對不同結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)對人型槽定子迷宮密封動力學特性的影響進行深入分析。
　　第四，設計并改造完成環(huán)流密封流體力測定系統(tǒng)，實現(xiàn)待測密封定子偏心及渦動比獨立、精確可調(diào)，對不同工況下不同結(jié)構(gòu)型式的密封流體力合力進行測定，并將試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比，驗證本文所述人型槽液體環(huán)流密封泄漏量及動力學計算模型的可靠性。
　　研究結(jié)果顯示，本文提出的針對螺旋槽轉(zhuǎn)子齒迷宮密封泄漏量

7、及動力學特性系數(shù)的求解方法計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致，對泄漏量及動特性的計算精度比原分析方法更高。人型槽轉(zhuǎn)子齒與定子齒迷宮密封的流體力計算結(jié)果從定性及定量兩方面均與試驗結(jié)果一致。此外，壓差對螺旋槽及人型槽迷宮密封性能的影響遠大于轉(zhuǎn)速，幾何參數(shù)如螺旋角、長徑比、齒寬、槽寬等均對研究對象的密封及動力學性能有較大影響，且人型槽迷宮密封的各部分組合形式對其動力學特性有決定性作用。
　　本文研究內(nèi)容與結(jié)論為離心泵口環(huán)密封、級間密封及平衡鼓密封等