高参数波纹管机械密封装置关键零部件热流固耦合分析

随着工业的高速发展，大规格高参数机械密封装置在航空航天、核电、石油、化工等领域得到了广泛应用。在高参数条件下，密封腔流场、摩擦副密封端面及波纹管等常处于高温、高速、高压、高应力等多相耦合的复杂工况，易造成摩擦副液膜汽化导致密封环非正常磨损、热裂、热变形及波纹管结焦、失弹、撕裂等，造成介质泄露和密封失效。本研究综合国内外有关两相流理论、热流固多场耦合分析理论及机械密封性能分析等方面的最新研究成果，采用实验测试和计算流体力学分析方法，对密封腔流场、波纹管和密封环及摩擦副流体膜进行热流固多场耦合数值建模分析及实验测试方法研究，深入分析和揭示介质工作参数对密封腔流场的流态、摩擦副流体膜相态、液膜汽化机理、摩擦副摩擦状态及膜厚分布、密封环温度场、变形场、磨损、介质泄露以及密封装置密封性能的影响规律，研究成果为高参数波纹管机械密封装置性能的总体评价及关键零部件的结构参数优化设计与制造提供科学依据。

1. 项目简介:随着石化工业的快速发展，高参数机械密封装置在新疆大中型石化等企业得到了广泛应用。在高参数复杂工况条件下，波纹管机械密封系统常处于高温、高速、高压等多相耦合的复杂工况，易造成摩擦副液膜汽化导致密封环非正常磨损、热裂、热变形及波纹管结焦、失弹、撕裂等，造成介质泄露和密封失效。本项目采用实验测试、理论分析及计算流体力学数值分析方法，对波纹管机械密封系统关键零部件金属波纹管、密封腔流场、摩擦副密封环及摩擦副界面流体膜进行热流固多场耦合数值建模分析研究，深入分析和揭示介质工作参数对密封腔流场及温度场分布、摩擦副流体膜相态和摩擦副摩擦状态及膜厚分布、密封环温度场、变形场、介质泄露以及密封装置密封性能的影响规律，为高参数波纹管机械密封装置性能的总体评价及关键零部件结构参数优化设计与制造提供科学依据。.2. 主要创新点及研究进展:（1）金属波纹管动力学特性实验测试方法研究。对单双层焊接金属波纹管的扭转强度、扭转刚度、弯曲强度、弯曲刚度等进行了实验测试方法研究，完成了单双层焊接金属波纹管的扭转强度、扭转刚度、弯曲强度、弯曲刚度等的实验测试，得到了相关数据，并将试验结果与理论值和仿真值进行了对比分析，验证仿真结果；（2）密封腔流场CFD数值建模及分析方法研究。采用CFD方法，分析了密封腔流体流动及流态，通过拟定密封腔流场的热力学和流体力学方程，对密封腔流场进行了数值模拟，得到了密封腔流场的温度场、压力场、质点速度场等，计算和分析了了轴径、转速以及介质温度、压力变化对密封腔温度场、压力场、质点速度场等的影响规律，从而找出控制温升的有效措施；（3）波纹管机械密封热流固耦合建模及分析方法研究。建立波纹管机械密封密封环及摩擦副界面流体膜的热流固耦合数值分析模型，详细进行了密封环及摩擦副界面流体膜的温度场、应力场、变形场以及动态参数的分析和计算，获取密封环在不同结构尺寸、转速等条件下温度场、变形场、应力场变化情况，分析和提取了影响机械密封环温度场、应力场和变形场最关键的技术参数，同时对摩擦副界面流体膜相态和密封环摩擦副摩擦状态进行了分析计算，得到了流体膜的膜厚分布、承载以及摩擦、磨损和泄流分析和计算。.3．研究成果: （1）国内外发表核心期刊论文15篇(1篇待发），其中EI收录4篇,参加国内外国际学术会议3次；（2）已毕业研究生9名，在读1名；（3）课题组有1名教师聘为教授。