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碳陶密封摩擦副复合材料特性的实验研究及流场分析

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第一章 前言

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外机械密封研究动态

1.3 本课题研究内容

1.4 技术路线

1.5 本章小结

第二章 碳陶机械密封摩擦副及液膜相关参数研究

2.1 碳陶摩擦副复合材料摩擦系数

2.2 碳陶机械密封端面泄漏量

2.3 碳陶机械密封端面温升

2.4 碳陶机械密封摩擦副间液膜流动状态

2.5 碳陶机械密封摩擦副间液膜厚度

2.6 本章小结

第三章 碳陶机械密封摩擦副稳态温度场数值模拟

3.1 碳陶机械密封稳态温度场计算假设条件

3.2 碳陶机械密封有限元模型建立

3.3 碳陶机械密封有限元模型网格划分

3.4 碳陶机械密封稳态温度场边界条件计算结果

3.5 碳陶机械密封摩擦副温度场模拟结果及分析

3.6 本章小结

第四章 碳陶机械密封液膜压力场/速度场数值模拟结果

4.1 碳陶机械密封液膜计算假设条件

4.2 碳陶机械密封有限元模型建立、网格的划分及边界条件的确定

4.3 碳陶机械密封密封摩擦副压力场/速度场模拟结果及分析

4.4 本章小结

第五章 碳陶机械密封泄漏量及端面温度实验研究

5.1 实验目的

5.2 机械密封试验台装置结构及技术参数

5.3 实验流程

5.4 实验结果

5.5 实验数据与模拟数据对比分析

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

机械密封是目前旋转轴密封常用的一种形式,尤其在石化行业占有举足轻重的地位。机械密封摩擦副材料的选择对其性能影响占主导地位,碳纤维增强陶瓷基复合材料(简称碳陶复合材料)作为新兴复合材料,将其作为机械密封摩擦副材料的研究鲜有提出,而碳陶复合材料具有耐磨性强、耐腐蚀性能优异、机械强度高、优越的热传导性能、摩擦系数小且有一定的自润滑性,满足机械密封摩擦副材料的性能要求,因此本文选用碳陶复合材料作为机械密封摩擦副材料对其端面温度场特性及端面间液膜流场进行模拟及研究。
  首先本文采用ANSYS Workbench平台的Design Modeler三维建模模块分别建立碳陶机械密封摩擦副(动、静环)及摩擦副端面间液膜几何模型,采用Mesh模块对摩擦副进行网格划分,应用ICEM模块对摩擦副端面间液膜进行网格划分,并加载相应的边界条件,然后分别导入Steady-state Theraml模块及Fluent模块,采用控制变量法进行数值模拟。对碳陶机械密封摩擦副温度特性进行模拟时分别改变密封配对材料、密封介质类型、密封轴转速、密封腔压力得到动、静环端面的温度场分布;对摩擦副端面间液膜流场进行模拟时分别改变密封轴转速、密封腔压力得到液膜压力场/速度场分布并得到泄漏量大小的模拟值。其次本文利用机械密封试验台对碳陶机械密封静环中心位置温度及泄漏量进行测量,最后将得到的数据与数值模拟的结果进行比较,验证了数值模拟的准确性,并得出两者存在差异的原因。
  经过数值模拟及实验测量表明工况参数发生变化对碳陶机械密封摩擦副温度场及动、静环间液膜流场分布影响明显,参数变化会改变摩擦副的热流密度、密封环与周围密封介质对流换热状况、液膜的压力场/速度场,从而影响整个碳陶机械密封系统的工作状态。通过数值模拟及实验研究对碳陶机械密封减少泄漏,降低温升、摩擦、磨损有着重要作用,为后期碳陶机械密封的优化设计提供理论和实践依据。

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