深海活塞压力平衡器密封设计及工作特性研究

论文摘要

深海特殊大压力环境给传统密封零部件的应用带来前所未有的挑战,压力平衡密封技术作为一种重要的深海密封方案,为深海密封问题提供了新的解决思路。活塞压力平衡器将深海压力引入密封对象内部,可减小深海密封件内外压差,改善传统密封件工况条件。活塞压力平衡器要求活塞组件在深海大压力下密封可靠,对深海压力变化响应迅速,这对现有的活塞密封技术提出更高要求,本文对此从以下几个方面展开研究:(1)提出一种新型深海活塞密封结构,以星形密封圈搭配聚四氟乙烯滑环为主密封,以迷宫密封为前置辅助密封,并拟定相关设计参数;建立主密封接触应力模型,提出了密封判定条件,为后续主密封性能验证及活塞压力平衡器工作特性研究奠定基础。(2)根据主密封结构与实际工况条件建立有限元模型,通过仿真计算得出压缩率、内外压差、滑环厚度及星形圈直径对主密封接触应力及Von—Mises应力影响;提取接触线节点应力值,研究密封界面接触宽度变化规律;利用正交试验分析压缩率、聚四氟乙烯滑环厚度及星形状圈直径对密封性能的影响程度。(3)运用CFD(计算流体力学)对迷宫辅助密封结构在密封边界条件下进行仿真分析,研究密封间隙、梳齿厚度及密封腔深宽比对辅助密封性能的影响,得出迷宫密封参数对密封性能影响规律,为迷宫密封的设计提供参考依据。(4)基于主密封设计,建立两自由度质量—弹簧—阻尼系统,研究活塞爬行产生机理;建立活塞压力平衡器静态平衡方程,研究主密封各参数对启动压力的影响;建立了压力平衡器随海水深度变化的动态平衡方程,研究初始状态下活塞位移、速度、及平衡器内外压力的变化规律。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 深海压力平衡技术研究
•     1.2.2 接触密封技术研究
•     1.2.3 非接触密封技术研究
•     1.2.4 活塞爬行力学特性研究
•   1.3 本课题研究的主要内容
• 2 深海活塞压力平衡器密封设计
•   2.1 密封方案设计
•     2.1.1 深海活塞压力平衡器技术原理
•     2.1.2 密封要求及相关参数
•     2.1.3 密封整体方案设计
•   2.2 主密封结构设计
•     2.2.1 主密封材料选择
•     2.2.2 主密封参数计算
•     2.2.3 主密封接触应力计算
•     2.2.4 主密封失效准则判定条件
•   2.3 迷宫密封结构设计
•     2.3.1 迷宫密封分类
•     2.3.2 迷宫密封作用机理
•     2.3.3 迷宫密封设计参数
•   2.4 本章小结
• 3 主密封装置性能研究
•   3.1 主密封有限元模型建立
•   3.2 计算结果与分析
•     3.2.1 星形圈压缩率对主密封性能的影响
•     3.2.2 内外压差对主密封性能影响
•     3.2.3 滑环厚度对主密封性能影响
•     3.2.4 星形圈直径对主密封性能影响
•   3.3 主密封参数对性能影响大小的研究
•     3.3.1 正交试验
•     3.3.2 正交试验结果分析
•   3.4 本章小结
• 4 迷宫密封结构性能研究
•   4.1 迷宫密封流体状态研究
•   4.2 迷宫密封数值模拟
•     4.2.1 数学模型建立
•     4.2.2 有限元模型
•   4.3 仿真结果分析
•     4.3.1 密封间隙对流场特性影响
•     4.3.2 梳齿厚度对流场特性影响
•     4.3.3 密封腔深宽比对湍流动能的影响
•   4.4 本章小结
• 5 深海活塞压力平衡器工作特性研究
•   5.1 爬行机理研究
•   5.2 深海活塞压力平衡装置静态工作特性研究
•     5.2.1 活塞静态力学模型的建立
•     5.2.2 静态工作特性算例分析
•   5.3 深海活塞压力平衡装置动态工作特性研究
•     5.3.1 活塞动态力学模型建立
•     5.3.2 动态工作特性算例分析
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
•   总结
•   展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王启林

导师: 樊智敏

关键词: 深海,活塞压力平衡器,结构设计,密封性能,工作特性

来源: 青岛科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,机械工业

单位: 青岛科技大学

基金: 山东省自然基金(ZR2018MEE014)

分类号: TH136;P715

总页数: 83

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