余热排出泵机械密封系统设计及热力特性研究
|
摘要
在密封领域,机械密封作为一种重要的轴封装置,在国内外各工业领域得到了广泛的应用。对传送易燃、剧毒、腐蚀性很强或有放射性的流体,流体介质漏出可能引起爆炸、火灾、中毒或者腐蚀设备等安全问题,采用机械密封可以保证可最大限度地避免上述情况的发生。在核工业生产过程中,含放射性的物质一旦发生泄漏,所造成的后果非常严重!国内某核电站的核二级安全泵中的余热排出泵,其输送的流体介质是具有放射性的去盐水,所以必须对其进行密封,以防止泄漏。
在参考了大量机械密封有关文献的基础上,本文对机械密封技术的应用、研究现状以及发展趋势进行了较为准确地阐述;对机械密封的基本结构、作用原理和特点进行了较为详细的介绍,其是本文设计工作的理论基础。
针对余热排出泵的实际工况,包括工作参数、介质性质、工作环境等,运用PV值经验设计法及机械密封设计的相关知识,得到了一个合理的机械密封设计方案;在设计方案的基础上,运用参数化设计软件(SolidWorks)对其进行了二次开发,整个参数化设计达到预期目标:对主要设计参数的修改,机械密封零件的三维模型及工程图样能够实时刷新,从而实现快速数字化设计。
在项目开发过程中,为了研究密封副端面温度的变化,在合理的假设条件下,利用ANSYS10.0软件完成了温度场的数值模拟,得到了密封副温度场的变化规律、最大值及其位置,这一结果可作为优化机械密封设计参数和降低密封端面温度的理论依据;同样在合理的假设条件下,利用ANSYS10.0软件中的间接耦合法完成了密封辅助系统中的换热器焊接处的热应力数值模拟,得到了模拟实际工况下的焊接处热应力分析结果,验证了设计的正确性、合理性。
由于本课题研究的是密封试制件,还未在核电站实际使用,还需对整个密封系统进行静压试验、动压试验,对实验中得到的数据进行进一步分析,验证设计方案的可行性,同时为设计的改进提供实际依据。
In mechanical seal field, mechanical seal is a kind of important shaft seal widely used in industries of the world. On the transfer of flammable, toxic, corrosive or highly radioactive fluids, fluids leak could cause explosion, fire, poisoning or corrosion of equipment, mechanical seals can guarante to avoid the occurrence of the above maximumly. For the nuclear industry, if radioactive material leaks, the consequences are very serious! One of nuclear second safety pumps in domestic nuclear power plant----residual heat removal pump, the fluid medium which delivered is radioactive brine without salt, so it must be sealed to prevent leakage.
On the basis of a large number of mechanical seal references data, the application, research status and development trend of the mechanical seal technology are more accurately described in this paper; more details on the basic structure of mechanical seal, the role of principles and characteristics are recommended, which provide theoretical basis for the design work.
For the actual working conditions of the residual heat removal pump, includs operating parameters, media properties, nature of work, working environment, we designed a reasonable seal plan using PV value experience design method and the knowledge of mechanical seal design; We completed its secondary development using the parametric design software (SolidWorks) based on the design plan.The parametric design have achieved the desired objectives: The 3D model and 2D drawing can be rebuilt automatically according to design parameters, so rapid digital design of cartridge mechanical is realized.
During the development process of project, In order to study the temperature changes of seal pair , in the reasonable assumptions, we got distribution, maximum and location of the temperature field through numerical calculation by ANSYS10.0 software,which provides theoretical basis for the optimization of design parameters and reducing of seal face’s temperature; Also in the reasonable assumptions, heat exchanger welding's thermal stress simulation of the sealing auxiliary system is completed using thermal structure resolve of ANSYS10.0 software, the thermal stress analysis of welding have been simulated in the actual working conditions,which verify the correctness、feasibility of the design .
The seal trial pieces is researched in this paper, it is not used in nuclear power plants actually, so the entire sealing system need be tested by static pressure test and dynamic pressure test, the experimental data which obtained from the experiment need further analysis, verify the feasibility of design, on the other hand, it can provide a realistic basis to improvement of the design!
在参考了大量机械密封有关文献的基础上,本文对机械密封技术的应用、研究现状以及发展趋势进行了较为准确地阐述;对机械密封的基本结构、作用原理和特点进行了较为详细的介绍,其是本文设计工作的理论基础。
针对余热排出泵的实际工况,包括工作参数、介质性质、工作环境等,运用PV值经验设计法及机械密封设计的相关知识,得到了一个合理的机械密封设计方案;在设计方案的基础上,运用参数化设计软件(SolidWorks)对其进行了二次开发,整个参数化设计达到预期目标:对主要设计参数的修改,机械密封零件的三维模型及工程图样能够实时刷新,从而实现快速数字化设计。
在项目开发过程中,为了研究密封副端面温度的变化,在合理的假设条件下,利用ANSYS10.0软件完成了温度场的数值模拟,得到了密封副温度场的变化规律、最大值及其位置,这一结果可作为优化机械密封设计参数和降低密封端面温度的理论依据;同样在合理的假设条件下,利用ANSYS10.0软件中的间接耦合法完成了密封辅助系统中的换热器焊接处的热应力数值模拟,得到了模拟实际工况下的焊接处热应力分析结果,验证了设计的正确性、合理性。
由于本课题研究的是密封试制件,还未在核电站实际使用,还需对整个密封系统进行静压试验、动压试验,对实验中得到的数据进行进一步分析,验证设计方案的可行性,同时为设计的改进提供实际依据。
In mechanical seal field, mechanical seal is a kind of important shaft seal widely used in industries of the world. On the transfer of flammable, toxic, corrosive or highly radioactive fluids, fluids leak could cause explosion, fire, poisoning or corrosion of equipment, mechanical seals can guarante to avoid the occurrence of the above maximumly. For the nuclear industry, if radioactive material leaks, the consequences are very serious! One of nuclear second safety pumps in domestic nuclear power plant----residual heat removal pump, the fluid medium which delivered is radioactive brine without salt, so it must be sealed to prevent leakage.
On the basis of a large number of mechanical seal references data, the application, research status and development trend of the mechanical seal technology are more accurately described in this paper; more details on the basic structure of mechanical seal, the role of principles and characteristics are recommended, which provide theoretical basis for the design work.
For the actual working conditions of the residual heat removal pump, includs operating parameters, media properties, nature of work, working environment, we designed a reasonable seal plan using PV value experience design method and the knowledge of mechanical seal design; We completed its secondary development using the parametric design software (SolidWorks) based on the design plan.The parametric design have achieved the desired objectives: The 3D model and 2D drawing can be rebuilt automatically according to design parameters, so rapid digital design of cartridge mechanical is realized.
During the development process of project, In order to study the temperature changes of seal pair , in the reasonable assumptions, we got distribution, maximum and location of the temperature field through numerical calculation by ANSYS10.0 software,which provides theoretical basis for the optimization of design parameters and reducing of seal face’s temperature; Also in the reasonable assumptions, heat exchanger welding's thermal stress simulation of the sealing auxiliary system is completed using thermal structure resolve of ANSYS10.0 software, the thermal stress analysis of welding have been simulated in the actual working conditions,which verify the correctness、feasibility of the design .
The seal trial pieces is researched in this paper, it is not used in nuclear power plants actually, so the entire sealing system need be tested by static pressure test and dynamic pressure test, the experimental data which obtained from the experiment need further analysis, verify the feasibility of design, on the other hand, it can provide a realistic basis to improvement of the design!
引文
[1]中国机械工程学会设备与维修工程分会.密封使用与维修问答[M].北京:机械工业出版社, 2001
[2]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2001
[3]成大先主编.机械设计手册单行本——润滑与密封[M].北京:化学工业出版社, 2004
[4]四川省密封技术研究所.机械密封[M](内部培训教材), 2003
[5]彭旭东,杨慧霞,于恒聚.机械密封的新技术及其应用[J].石油化工设备技术.2001,22(1):62-66
[6]全国化工环保节能与密封产品产销协作网.国内机械密封生产概况及发展趋势[J].化工设备与防腐蚀,2002,5 (4):315-316
[7]顾伯勤,蒋小文,孙见君,等.机械密封技术最新进展[J].化工进展.2003, 22(11):1160-1164
[8]张金凤,袁寿其,曹武陵.机械端面密封技术研究现状及发展趋势[J].流体机械,2004,32(10):26-31
[9]左振亮.李楠.机械密封技术与研发方向[J].辽宁化工,2008, 37(10):698-700
[10]易际明,林志刚,朱培立.机械密封CAD软件的研制与开发[J].润滑与密封,2004,(4):89-91
[11]孙见君,魏龙,顾伯勤.机械密封的发展历程与研究动向[J].润滑与密封,2004,(4):128-134
[12]黄经国.压水堆核电厂核2级泵的模块化设计[J].水泵技术,2006(4):5-11
[13]法国核岛设备设计建造规则协会(AFCEN).压水堆核岛机械设备设计和建造规则
[14]王汝美.实用机械密封技术问答(第二版)[M].北京:中国石化出版社, 2004
[15]顾永泉.流体动密封(上册)[M].北京:中国石化出版社, 1990
[16]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995
[17] API Std 682-2002.Pumps-Shift Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps[S]
[18]胡国桢,张军,王明.第三代集装式机械密封[J].液压气动与密封,2006,(1):45-46
[19]赵伯超.集装式机械密封在石化企业中的应用[J].炼油与化工,2002, 13 (3):1-2
[20]田伯勤主编.新编机械密封实用技术手册[M].北京:中国知识出版社,2005
[21] GB/T6556-94,机械密封的型式、主要尺寸、材料和识别标志[S]
[22] JB/T1472-1994,泵用机械密封标准[S]
[23]马雪峰.常用机械密封的设计计算[J]. 2002年黑龙江省机械工程学会年会论文集, 2002,242-246
[24]成大先主编.机械设计手册[M].第五版第③卷.北京:化学工业出版社,2008
[25]柴春林.离心泵机械密封泄漏现象分析[J].润滑与密封,2009
[26]张智登.泵用机械密封泄漏原因分析及主要预防措施[J].广州化工,2006
[27]迈尔.机械密封.德文六版[M],埔兆生等译.第一版.北京:化学工业出社,1997
[28] E Mayer.机械密封[M].姚兆生,许仲枚,王俊德,译.北京:化学工业出版社, 1981
[29]魏龙,顾伯勤,孙见君等.机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[J].润滑与密封2008,33(6):38-41
[30] Summers-Smith JD.Mechanical Seal Practice for Improved Performance,MEP,2nd.Ed.1992
[31] GB/T4127.1-1999.机械密封技术条件[S]
[32]陈德才,崔德荣.机械密封设计设计制造与使用[M].北京:机械工业出版社, 1993
[33]王宗彦,等. SolidWorks机械产品高级开发技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2005
[34]戴宁生,陆文龙,周桂生.三CAD技术的推广与应用[J].机械制造与研究,2007,36(6):76-79
[35]王定标,郭茶秀,向飒,CAD/CAM/CAE技术与应用[M],北京-化学工业出版社,2005
[36]王青,邬义志,夏冠华,三维CAD/CAM系统二次开发技术,江苏机械制造与自动化2001
[37]赵雷,智能刀具CAD系统中切削用量优化的研究[D],西华大学,2008
[38]王晓丽,季忠. SolidWorks的二次开发方法比较[J].现代制造技术与装备, 2006,(2):50-52,55
[39]张莉.基于SolidWorks平台的二次开发技术[J].计算机时代, 2003,(10):31-32
[40]李卫民,基于SolidWorks平台的二次开发技术[J],机械制造,2003,(464):24-26
[41]孙建军,基于SolidWorks二次开发的非标准件参数化设计[J],现代制造工程,2003,(6):30-32
[42]王宗彦,吴淑芳,秦慧斌,等. SolidWorks机械产品高级开发技术[M].北京:北京理工大学出版社,2005
[43]江洪等.SolidWorks 2003二次开发基础与实例教程[M].第1版.北京:电子工业出版社,2003
[44]江洪,魏峥,王涛威.SolidWorks二次开发实例分析[M].北京:机械工业出版社,2004
[45]刘萍萍.面向企业应用的Solidworks软件二次开发[D],南京理工大学,2004
[46]田莹,郝木明.基于Pro/E的机械密封摩擦副的参数化设计[J].机械设计与制造,2008,(8):76-78
[47]周长城,胡仁喜,熊文波.ANSYS 11.0基础与典型范例[M].北京:电子工业出版社2007
[48]秦叔经.换热器[M].北京:化学工业出版社,2001
[49]张朝晖,范群波,贵大勇,等. ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京:中国铁道出版社,2005
[50]韩敏.利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析[J].煤矿机械, 2008
[51]郭波,邹丽梅,钱学毅.巧妙转换Pro/ENGINEER与ANSYS间的模型数据[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2006,54-56
[52]王永国,艾兴,李兆前,等.梯度功能陶瓷刀具的热应力分析[J].机械工程学报,2003,39(4):53-55
[53]单晓亮,胡欲立.机械密封温度问题研究方法综述[J].流体机械, 2006,34(8):37-40
[54]单晓亮,胡欲立.基于Ansys的机械密封环温度场分析[J].润滑与密封, 2006,(9):116-119
[55]魏文亮.机械密封环热平衡分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版) , 2008,27:239-240
[56] GORDON S.BUCK.A Methodology for Design and Application of Mechanical Seals[J].ASME Trans.1980.23.No,3
[57]王胜军,郝木明,张书贵.机械密封温度场计算[J].化工机械,2004,31(4):203-207
[58]彭旭东,顾永泉.不同相态机械密封的性能计算[J].流体机械,1994,22(8):20-24
[2]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2001
[3]成大先主编.机械设计手册单行本——润滑与密封[M].北京:化学工业出版社, 2004
[4]四川省密封技术研究所.机械密封[M](内部培训教材), 2003
[5]彭旭东,杨慧霞,于恒聚.机械密封的新技术及其应用[J].石油化工设备技术.2001,22(1):62-66
[6]全国化工环保节能与密封产品产销协作网.国内机械密封生产概况及发展趋势[J].化工设备与防腐蚀,2002,5 (4):315-316
[7]顾伯勤,蒋小文,孙见君,等.机械密封技术最新进展[J].化工进展.2003, 22(11):1160-1164
[8]张金凤,袁寿其,曹武陵.机械端面密封技术研究现状及发展趋势[J].流体机械,2004,32(10):26-31
[9]左振亮.李楠.机械密封技术与研发方向[J].辽宁化工,2008, 37(10):698-700
[10]易际明,林志刚,朱培立.机械密封CAD软件的研制与开发[J].润滑与密封,2004,(4):89-91
[11]孙见君,魏龙,顾伯勤.机械密封的发展历程与研究动向[J].润滑与密封,2004,(4):128-134
[12]黄经国.压水堆核电厂核2级泵的模块化设计[J].水泵技术,2006(4):5-11
[13]法国核岛设备设计建造规则协会(AFCEN).压水堆核岛机械设备设计和建造规则
[14]王汝美.实用机械密封技术问答(第二版)[M].北京:中国石化出版社, 2004
[15]顾永泉.流体动密封(上册)[M].北京:中国石化出版社, 1990
[16]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995
[17] API Std 682-2002.Pumps-Shift Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps[S]
[18]胡国桢,张军,王明.第三代集装式机械密封[J].液压气动与密封,2006,(1):45-46
[19]赵伯超.集装式机械密封在石化企业中的应用[J].炼油与化工,2002, 13 (3):1-2
[20]田伯勤主编.新编机械密封实用技术手册[M].北京:中国知识出版社,2005
[21] GB/T6556-94,机械密封的型式、主要尺寸、材料和识别标志[S]
[22] JB/T1472-1994,泵用机械密封标准[S]
[23]马雪峰.常用机械密封的设计计算[J]. 2002年黑龙江省机械工程学会年会论文集, 2002,242-246
[24]成大先主编.机械设计手册[M].第五版第③卷.北京:化学工业出版社,2008
[25]柴春林.离心泵机械密封泄漏现象分析[J].润滑与密封,2009
[26]张智登.泵用机械密封泄漏原因分析及主要预防措施[J].广州化工,2006
[27]迈尔.机械密封.德文六版[M],埔兆生等译.第一版.北京:化学工业出社,1997
[28] E Mayer.机械密封[M].姚兆生,许仲枚,王俊德,译.北京:化学工业出版社, 1981
[29]魏龙,顾伯勤,孙见君等.机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[J].润滑与密封2008,33(6):38-41
[30] Summers-Smith JD.Mechanical Seal Practice for Improved Performance,MEP,2nd.Ed.1992
[31] GB/T4127.1-1999.机械密封技术条件[S]
[32]陈德才,崔德荣.机械密封设计设计制造与使用[M].北京:机械工业出版社, 1993
[33]王宗彦,等. SolidWorks机械产品高级开发技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2005
[34]戴宁生,陆文龙,周桂生.三CAD技术的推广与应用[J].机械制造与研究,2007,36(6):76-79
[35]王定标,郭茶秀,向飒,CAD/CAM/CAE技术与应用[M],北京-化学工业出版社,2005
[36]王青,邬义志,夏冠华,三维CAD/CAM系统二次开发技术,江苏机械制造与自动化2001
[37]赵雷,智能刀具CAD系统中切削用量优化的研究[D],西华大学,2008
[38]王晓丽,季忠. SolidWorks的二次开发方法比较[J].现代制造技术与装备, 2006,(2):50-52,55
[39]张莉.基于SolidWorks平台的二次开发技术[J].计算机时代, 2003,(10):31-32
[40]李卫民,基于SolidWorks平台的二次开发技术[J],机械制造,2003,(464):24-26
[41]孙建军,基于SolidWorks二次开发的非标准件参数化设计[J],现代制造工程,2003,(6):30-32
[42]王宗彦,吴淑芳,秦慧斌,等. SolidWorks机械产品高级开发技术[M].北京:北京理工大学出版社,2005
[43]江洪等.SolidWorks 2003二次开发基础与实例教程[M].第1版.北京:电子工业出版社,2003
[44]江洪,魏峥,王涛威.SolidWorks二次开发实例分析[M].北京:机械工业出版社,2004
[45]刘萍萍.面向企业应用的Solidworks软件二次开发[D],南京理工大学,2004
[46]田莹,郝木明.基于Pro/E的机械密封摩擦副的参数化设计[J].机械设计与制造,2008,(8):76-78
[47]周长城,胡仁喜,熊文波.ANSYS 11.0基础与典型范例[M].北京:电子工业出版社2007
[48]秦叔经.换热器[M].北京:化学工业出版社,2001
[49]张朝晖,范群波,贵大勇,等. ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京:中国铁道出版社,2005
[50]韩敏.利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析[J].煤矿机械, 2008
[51]郭波,邹丽梅,钱学毅.巧妙转换Pro/ENGINEER与ANSYS间的模型数据[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2006,54-56
[52]王永国,艾兴,李兆前,等.梯度功能陶瓷刀具的热应力分析[J].机械工程学报,2003,39(4):53-55
[53]单晓亮,胡欲立.机械密封温度问题研究方法综述[J].流体机械, 2006,34(8):37-40
[54]单晓亮,胡欲立.基于Ansys的机械密封环温度场分析[J].润滑与密封, 2006,(9):116-119
[55]魏文亮.机械密封环热平衡分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版) , 2008,27:239-240
[56] GORDON S.BUCK.A Methodology for Design and Application of Mechanical Seals[J].ASME Trans.1980.23.No,3
[57]王胜军,郝木明,张书贵.机械密封温度场计算[J].化工机械,2004,31(4):203-207
[58]彭旭东,顾永泉.不同相态机械密封的性能计算[J].流体机械,1994,22(8):20-24