端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法及系统

文档序号：1596744 发布日期：2020-01-07 浏览：22次 >En<

阅读说明：本技术 端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法及系统 (Method and system for acquiring friction temperature rise condition in end face sealing structure ) 是由庄宿国黄丹周芮王良宋勇毛凯于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法及系统,基于端面密封复杂的工况特征和结构尺寸,开展精确的摩擦温升精确计算。本发明基于运转试验的实测值获得了端面密封结构的实际工作条件,并以此为基础,结合端面密封结构的几何尺寸特征和工作过程中动静环不同区域的实际工况,通过仿真软件得到端面密封结构的热像图,从而准确、直观的获得到端面密封结构中摩擦温升情况。(The invention discloses a method and a system for acquiring friction temperature rise in an end face sealing structure, which are used for carrying out accurate friction temperature rise calculation based on complicated working condition characteristics and structural size of end face sealing. The invention obtains the actual working condition of the end face sealing structure based on the measured value of the running test, and based on the actual working condition, the invention combines the geometric dimension characteristics of the end face sealing structure and the actual working conditions of different areas of the dynamic and static rings in the working process, and obtains the thermal image of the end face sealing structure through simulation software, thereby accurately and intuitively obtaining the friction temperature rise condition in the end face sealing structure.)

技术领域

本发明属于液体火箭发动机涡轮泵端面密封技术领域，涉及一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法及系统。

背景技术

端面密封结构作为液体火箭发动机涡轮泵能量传动系统的重要组件，主要用于密封液体氧化剂、燃料以及隔离燃气等，如果发生故障，将直接影响到发动机的性能和可靠性，甚至产生灾难性后果。尤其是对于我国新一代大运载液氧煤油发动机涡轮泵端面密封而言，工作参数不断提高，振动冲击环境极为恶劣，并且工作介质具有高压、低温以及强腐蚀等特点，导致端面密封摩擦副工作环境极为苛刻，液体火箭发动机端面密封主要失效模式为动静环相对转动产生摩擦从而导致密封端面的温度升高，致使其端面磨损、烧伤以及热裂等，造成密封失稳，泄漏量增加。由于端面密封摩擦面在工作过程中处于封闭接触状态，其摩擦温升情况无法通过试验手段进行测量。

经检索，目前液体火箭发动机的端面密封结构摩擦升温情况的获取方式仅在部分文献中有所涉及，《液体火箭发动机涡轮泵用机械密封温度场及热载变形研究》(火箭推进，2014，40(5)：92～98)，采用了一种简单的密封环摩擦热和对流换热计算方法，但其热流密度未根据端面密封几何尺寸的变化进行精确计算，并且对流换热系数未考虑端面密封动静环的实际工作状态，其边界条件设置大多采用假设、经验系数等方式，影响了计算结果的精确性。

发明内容

基于以上背景，本发明提出了一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法及系统，在结合实际工作状态以及端面密封结构尺寸的情况下精确计算端面密封的摩擦温升。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法，所述端面密封结构包括静环和动环，包括以下步骤：

步骤1：获取动态运转条件下端面密封结构所处腔室中密封前温度T₁和密封后温度T₂以及经过端面密封结构前介质流速U₁和经过端面密封结构后介质流速U₂；

步骤2：构建端面密封结构中动环和静环在运转摩擦过程中产生的热流密度公式，具体计算公式如下：

其中，i为动静环运转摩擦面数量，7≥i≥4；

q_wi为动环热流密度，W/m²；

q_si为静环热流密度，W/m²；

h_s为静环的厚度，m；

h_w为动环的厚度，m；

λ_s为静环导热系数，W/(m﹒K)；

λ_w为动环导热系数，W/(m﹒K)；

f为摩擦系数，取值范围0.01～0.1；

d₁为静环的内径，m；

d₂为静环的外径，m；

n为驱动动环旋转的转轴转速，r/mi n；

p_c为端面比压，pa；

步骤3：构建经端面密封动环第一区域、动环第二区域以及动环第三区域的对流换热系数的计算公式，具体计算公式如下：

其中，α_w1为经端面密封动环第一区域的对流换热系数，W/m².K；所述动环第一区域为动环的外圆表面；

α_w2为经端面密封动环第二区域的对流换热系数，W/m².K；所述动环第二区域为动环与静环接触面的上方表面；

α_w3为经端面密封动环第三区域的的对流换热系数，W/m².K；所述动环第三区域为动环上远离动环与静环接触面的表面；

λ₁为经过端面密封前介质的导热系数，W/(m﹒K)；

D₁为动环的内径，m；

D₂为动环的外径，m；

ν₁为经过端面密封前介质的运动粘度，m²/s；

P_r为普朗特数；

步骤4：构建经端面密封动环第四区域的对流换热系数的计算公式，具体公式如下：

所述动环第四区域为动环与静环接触面的下方表面；

步骤5：构建经端面密封静环第一区域的对流换热系数的计算公式，具体公式如下：

其中，α_s1为经端面密封静环第一区域的对流换热系数，W/m².K；所述静环第一区域为静环的外圆表面；

ε为修正系数，取值范围1.2～2；

δ₁为静环外侧与腔室内壁之间的间隙，m；

步骤6：构建经端面密封静环第二区域的对流换热系数的计算公式，具体公式如下：

其中，α_s2为经端面密封静环第二区域的对流换热系数，W/m².K；所述静环第二区域为静环的内圆表面；

λ₂为密封后介质导热系数，W/(m﹒K)；

ν₂为密封后介质的运动粘度，m²/s；

δ₂为静环内侧与转轴的间隙，m；

r_r为驱动动环旋转的转轴半径，m；

步骤7：在ANSYS仿真软件中构建端面密封结构模型；

步骤8：将步骤1中得到的T₁、T₂、U₁、U₂以及步骤2-6计算结果输入ANSYS仿真软件中，进行迭代求解，得出端面密封结构模型的热像图，从热像图中直接得到端面密封结构的摩擦温升情况。

进一步地，上述密封前介质为液氧，密封后介质为空气。

基于上述方法，本发明还提供了一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取系统，其包括壳体、转轴、第一测温仪、第二测温仪、第一测速仪、第二测速仪以及上位机；

端面密封结构位于所述壳体内，端面密封结构的静环固定安装在壳体内，动环安装在所述转轴上；端面密封结构将壳体内的腔室分为密封前腔室和密封后腔室两部；

壳体上且与密封前腔室连通设置有介质入口、第一测温仪以及第一测速仪；

壳体上且与密封后腔室连通设置有介质出口、第二测温仪以及第二测速仪；

所述第一测温仪、第一测速仪、第二测温仪以及第二测速仪均与所述上位机连接。

上述壳体为分体式结构，包括前壳体和后壳体两部。

本发明的优点在于：

鉴于液体火箭发动机端面密封特殊的工况特征，本发明基于实测值获得了端面密封的实际工作条件，并以此为基础，结合端面密封几何尺寸特征和工作过程中动静环不同区域的实际工况，提出了一种精确的液体火箭发动机端面密封摩擦温升情况的获取方法，通过热像图直接反映温升变化情况，提高了端面密封仿真的准确性，保障了液体火箭发动机的可靠性，缩短型号研制周期。具有一定的推广价值。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明获取系统的结构示意图；

图3为端面密封结构各区域分布图；

图4为端面密封结构的计算模型图；

图5为端面密封结构模型的热像图。

附图标记如下：

1-壳体、2-转轴、3-第一测温仪、4-第二测温仪、5-第一测速仪、6-第二测速仪、7-端面密封结构、8-密封前腔室、9-密封后腔室、10-介质入口、11-介质出口。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

本发明所提供的一种端面密封结构中摩擦温升情况的获取方法，具体实现流程，如图1所示：

步骤2：构建端面密封结构中动环和静环在运转摩擦过程中产生的热流密度公式，具体计算公式如下：

公式(1)：

公式(2)：

其中，i为动环、静环运转摩擦面数量，7≥i≥4，优选数量为5；

q_wi为动环热流密度，W/m²；

q_si为静环热流密度，W/m²；

h_s为静环的厚度，m；

h_w为动环的厚度，m；

λ_s为静环导热系数，W/(m﹒K)；

λ_w为动环导热系数，W/(m﹒K)；

f为摩擦系数，取值范围0.01～0.1；

d₁为静环的内径，m；

d₂为静环的外径，m；

n为发动机转速，r/mi n；

p_c为端面比压，pa；

步骤3：构建经端面密封动环第一区域、动环第二区域以及动环第三区域的对流换热系数的计算公式，具体计算公式如下：

公式(3)：

公式(4)：

公式(5)：

其中，α_w1为经端面密封动环第一区域的对流换热系数，W/m².K；所述动环第一区域为动环的外圆表面；

α_w2为经端面密封动环第二区域的对流换热系数，W/m².K；所述动环第二区域为动环与静环接触面的上方表面；

α_w3为经端面密封动环第三区域的的对流换热系数，W/m².K；所述动环第三区域为动环上远离动环与静环接触面的表面；

λ₁为经过端面密封前介质的导热系数，W/(m﹒K)；

D₁为动环的内径，m；

D₂为动环的外径，m；

ν₁为经过端面密封前介质的运动粘度，m²/s；

P_r为普朗特数；

步骤4：构建经端面密封动环第四区域的对流换热系数的计算公式，具体公式如下：

公式(6)：

所述动环第四区域为动环与静环接触面的下方表面；

步骤5：构建经端面密封静环第一区域的对流换热系数的计算公式，具体公式如下：

公式(7)：

其中，α_s1为经端面密封静环第一区域的对流换热系数，W/m².K；所述静环第一区域为静环的外圆表面；

ε为修正系数，取值范围1.2～2；

δ₁为静环外侧间隙，m；

步骤6：构建经端面密封静环第二区域的对流换热系数的计算公式，具体公式如下：

公式(8)：

其中，α_s2为经端面密封静环第二区域的对流换热系数，W/m².K；所述静环第二区域为静环的内圆表面；

λ₂为密封后介质导热系数，W/(m﹒K)；

ν₂为密封后介质的运动粘度，m²/s；

δ₂为静环内侧与转轴的间隙，m；

r_r为驱动动环旋转的转轴半径，m；

步骤7：在ANSYS仿真软件中构建端面密封结构模型；

基于上述方法，本发明提供了一具体示例，来对本发明作进一步说明：

一、搭建端面密封结构中摩擦温升情况的获取系统，如图2所示，包括壳体1、转轴2、第一测温仪3、第二测温仪4、第一测速仪5、第二测速仪6以及上位机；

端面密封结构7位于所述壳体1内，端面密封结构的静环固定安装在壳体内，动环安装在所述转轴2上；端面密封结构将壳体1内的腔室分为密封前腔室8和密封后腔室9两部；

壳体1上且与密封前腔室8连通设置有介质入口10、第一测温仪3以及第一测速仪5；

壳体1上且与密封后腔室9连通设置有介质出口11、第二测温仪4以及第二测速仪6；

第一测温仪3、第一测速仪5、第二测温仪4以及第二测速仪6均与所述上位机连接。上位机上运行有ANSYS仿真软件。

在端面密封装配前必须对获取系统和零部件进行除油处理，使用干燥、无油污的氮气吹干后再进行安装。装配后轴径向跳动量为0.03mm，从介质入口处通入0.5MPa氮气，端面密封的泄漏量为5泡/mi n，密封前介质为液氧，密封后介质为空气，端面密封动环材料为S-07钢，静环材料为HCG石墨。运转过程中密封前后温度T₁＝-183℃、T₂＝43℃，密封前后介质流速U₁＝0.01m/s、U₂＝0.01m/s。

介质性能如表1所示。

表1试验介质特性

介质	λ(导热系数)	ν(运动粘度)	Pr(普朗特数)
				液氧	0.1513W/(m﹒K)	1.7157×10<sup>-7</sup>m<sup>2</sup>/s	1.09
空气	0.023W/(m﹒K)	1.61×10<sup>-5</sup>m<sup>2</sup>/s	0.7