超临界二氧化碳动压密封流体膜跨临界流动和热弹变形优化分析
超临界二氧化碳(SCO2)动压密封应用在高温、高压和高速工况下，密封端面两侧压力迅速降低，相态变化剧烈。高参数下，密封端面产生的热弹变形不容忽略，极大影响密封稳定性和可靠性。本文对SCO2动压密封流体膜跨临界流动和热弹变形进行深入研究和讨论，并进行试验验证。 采用ANSYS软件建立动压密封热流固耦合数值分析模型，考虑实际气体效应、惯性效应和湍流效应，研究流体膜跨临界流动，得到流体膜压力分布。分析密封的热量平衡，计算粘性剪切热和搅拌热以及对流换热系数，得到密封环的温度分布和热变形。分析密封环受力情况，并将温度场和流体膜的压力耦合到密封环上，得到密封端面的热弹变形。 研究温度、压力和转速对密封流体膜跨临界相态变化的影响，结果显示温度靠近临界点不利于密封相态稳定，会产生介质液化和固化;压力越大，相变界面越靠近密封出口;近临界点工况转速越低多，相凝结流动风险越高。探究了SCO2动压密封的工作机理，分析工况条件对密封性能的影响，对于外侧开槽的高转速动压密封，端面螺旋槽的泵送效应促使密封泄漏，而壁面离心效应则抑制流体泄漏。 分析工况参数对密封端面热弹变形的影响，得到密封环的端面最大变形间隙的变化规律。提出高温、高压和高速下宜减小密封环的温差、采用高弹性模量材料和协调动环热变形与弹性变形来减小热弹总变形的方法。研究密封环结构参数对密封端面热弹变形的影响，采用多参数正交优化的方法，得到密封端面在热弹变形后仍保持近似平行的最优密封环结构。 研制SCO2制备系统、动压密封辅助系统和试验系统为一体的综合密封试验平台，进行动压密封静压试验和变转速、变压力运转试验。得到高压差动压密封在不同转速、压力下的泄漏量、轴承箱温度、端面温度和流体膜厚度的变化规律。结果验证了超临界二氧化碳动压密封热流固耦合计算理论的准确性。 通过本文的研究，得到SCO2动压密封流体膜跨临界微流动的机理，得到密封跨临界相态和密封性能的变化规律，提出高温、高压和高速下动压密封的热弹变形协调的优化方法，为超临界流体和高参数动压密封的设计和优化提供技术支持。
动压密封;超临界二氧化碳;跨临界流动;热弹变形
北京化工大学
硕士
机械工程
马润梅
2021
中文
TB42
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）