离心泵磁液密封界面动力学特性及密封装置优化
随着十四五计划的开展和国家科技水平及工业化的进步，离心泵高转速、高效率、高可靠性等性能指标成为制造业发展的必然要求，而离心泵的高速化运行又引起离心泵轴端密封的不可靠性，使离心泵的设计、应用及发展受到严重限制。磁性液体密封属于新型非接触式密封，在动密封中体现出较好的优越性，现已被干式罗茨真空泵、反应釜等设备广泛应用。然而以液体为运输介质的离心泵轴端磁液密封技术还未有重大突破，其根本原因在于磁液密封界面不稳定。因此，对于磁液密封界面动力学特性的研究从而揭示磁液密封液体失效机理、建立完善的磁液密封界面动力学理论体系成为离心泵轴端磁液密封技术研发攻关中亟需解决且必须解决的难题。本文从理论分析、数值计算、实验研究三方面入手，对磁液密封界面动力学特性展开研究，主要工作及取得创新性的成果如下： 1.以数值方法研究了离心泵在变流量工况时，磁液密封界面压力特性，得到密封界面压力与离心泵流量大小呈负相关规律，并且对磁液密封界面动压进行量化研究，得到动压产生原因主要为轴表面旋转引起密封流道内流体周向运动。其动压值约为总压值的1%，在密封端面上动压呈现出由轴表面沿径向正梯度分布规律。 2.磁液密封界面存在压力脉动现象，密封界面不同位置上压力脉动规律极为相似，同一位置不同离心泵运行流量时，压力脉动波形存在差异。且各流量工况下磁液密封界面压力脉动均存在较好的周期性，周期时长为单个叶片扫过隔舌所需要的时间。在一个转轮旋转周期内，磁液密封界面往复运动次数与转轮叶片数相同。在离心泵额定工况或其附近工况点工作时，磁液密封界面压力脉动峰峰值差值约为2000Pa，在偏工况点运行时，峰峰值差值增加，最大可达4000Pa以上。并通过快速傅里叶变化得到磁液密封界面压力脉动的频谱特性，结果表明，离心泵各流量工况下，磁液密封界面压力脉动的第一主频、第二主频、第三主频分别为叶频、2倍叶频和8倍叶频，说明密封界面压力脉动产生原因主要为叶轮周期性扫过离心泵固定表面。离心泵偏工况运行时，在0-291Hz处存在宽频现象。 3.磁液密封界面湍流强度主要由轴表面旋转引起的密封流体周向运动导致，在各流量工况下，湍流强度值在33%~38%之间，强湍流强度严重影响密封界面稳定性，为降低密封界面湍流强度值，对磁液密封装置进行优化，优化结构为轴端开槽，经分析，在轴转速为2910rpm、开槽长度为3倍密封间隙值、开槽深度为2倍密封间隙值时，磁液密封界面湍流强度值最大值由34.9%下降至14.7%，动压最大值由2500Pa下降至200Pa。并应用Maxwell软件计算了一般结构与优化结构的磁场，结果表明，该结构并不破坏磁液密封装置磁路的合理性，并且对于单级密封而言，可提高约10%的密封能力。
离心泵;磁液密封界面;动力学特性;密封装置;结构优化
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
李正贵
2022
中文
TH311
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）