针对一种新型非规则V形表面织构化机械密封端面,建立了界面液膜的润滑模型,采用有限单元方法求解雷诺方程,研究了表面织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力对端面密封的承载力、泄漏率、摩擦因数和液膜刚度等密封性能参数的影响规律,并对经典三角形织构和圆形织构化端面密封进行了对比分析。结果表明:端面新型非规则V形织构具有收集和汇聚液膜的作用,增强了动压效应;织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力的变化对V形与三角形表面织构的密封性能影响较大,而对圆形织构表面的密封性能影响不明显;在研究几何和工况参数范围内,这种新型V形表面织构的机械密封性能相对较优,其承载力、摩擦因数与液膜刚度均略优于三角形织构,远优于圆形织构,研究结果可为织构化端面密封的设计开发提供支持。

牙轮钻头的频繁启动以及振动工况直接影响单金属密封的可靠性和工作寿命。基于热-流-固-动耦合场,建立了复杂工况下单金属密封瞬态启动动力学模型,采用有限差分法和Newmark法联合求解润滑方程和动力学方程,考察钻头转速和轴向激励对单金属密封动态密封性能的影响,结果表明:随着钻头不断启动至恒转速阶段,高压(p0=30 MPa)下单金属密封端面液膜沿径向始终呈发散型分布,端面温升在轴向激励下振荡增加至稳定波动,瞬时泄漏率呈正负交替波动状态,幅值远大于稳态泄漏率幅值,特别是当泄漏率为负值时,外径侧泥浆极易侵入密封间隙;单金属密封动态性能随钻头转速和轴向激励载荷增大而进一步恶化。

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明:超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。

考虑流体粘温效应，建立了典型核主泵用流体动压型机械密封三维稳态传热有限元模型。建立了由流体域及密封环组成的二维轴对称共轭传热有限元模型，计算了对流换热系数。在此基础上，采用有限元软件求解三维模型密封温度，分析了流体入口流速以及转速对密封端面温度的影响。结果表明：深槽结构导致开槽静环密封端面温度分布不均匀；流体入口速度几乎不影响温度分布；增大转速，密封端面温度显著升高。

以核主泵流体动压型圆形深槽第二级密封为研究对象,建立包括密封环、端面液膜和密封腔组成的三维跨尺度传热系统。采用Fluent软件,在流固交界面采用强制耦合,求解能量方程和N-S方程,获得端面间液膜、密封环、密封腔的流场分布、压力分布和温度分布,在此基础上研究转速、冲洗量和冲洗进出口位置对三维传热系统的影响。结果表明：冷却冲洗对于密封环的散热有显著效果;深槽能降低密封端面的温度,起到局部的冷却作用;深槽结构以及流体惯性作用,导致深槽两侧存在压力梯度;转速对温度场的影响远大于冲洗量的影响;冲洗进出口位置对密封环、密封腔的温度场影响较大,冲洗进出口位置均存在最优值,进口在无量纲量L/L0为4/7处最优,出口位于动环外周凸台处有较好的冷却效果。

催化剂微球装置是催化剂厂的重要装置,其中泵运行工艺条件苛刻,不仅泵输介质固含量高、腐蚀性强,而且泵启动频繁、抽空现象时有发生,因此泵用JF103型机械密封故障率高,运行周期极短,平均仅为3~5天。针对上述机械密封使用寿命短、可靠性低的问题,研制开发了激光加工多孔端面新型机械密封,并对其冲洗方案进行调整。现场使用结果表明,相比于原用普通机械密封,新型机械密封的使用寿命超过3个月预计目标并接近半年,完全满足了企业的需求。

对侧人式单端面机械密封的温度场进行了研究.通过建立二维轴对称传热的有限元模型,用有限单元法求解 了机械密封环的稳态温度场,在自主设计的试验台上进一步对静环温度进行测量,得到了不同工况下的静环温度实测值. 结果表明：增大弹簧比压、介质压力和转速,密封端面温度显著升高.将计算结果与实测结果进行比较,其影响趋势基本 -致,误差在可接受的范围内,说明文中所介绍的计算密封环温度的方法可行,为进一步研究此类典型结构密封环的热 特性提供了参考.

为改善旋转式唇形密封的密封性能,在轴表面开椭圆形织构,考虑密封唇口的径向变形、粗糙峰剪切变形和油膜压力的耦合,建立了唇封三维周期性软弹流润滑模型。采用有限单元法与数值迭代技术求解润滑方程获得了反向泵送率、摩擦扭矩和液膜承载力等性能参数,研究了椭圆形微织构及其结构参数对油封密封性能的影响规律,对椭圆形织构进行了结构优化分析。结果表明,密封轴的表面织构化可明显改善润滑状态,并提高泵送率。该研究对于油封的增强润滑、减少泄漏和磨损具有工程参考价值。

机械密封是航空航天涡轮泵系统的核心基础元件,其密封性、可靠性和耐磨性不仅取决于密封的结构设计,而且取决于密封端面摩擦副材料的配对。为最大程度地实现密封摩擦副材料的国产化,开展国产典型石墨密封环的摩擦磨损特性研究具有重要意义。通过选取国内三大石墨生产商出品的空天领域常用典型石墨(编号分别为1^#、2^#和3^#)与9Cr18钢配副进行干磨条件下的试验测试,基于正交试验方法,通过改变线速度、端面比压和硬环表面粗糙度,使用UMT-Ⅲ摩擦磨损试验机对比分析了配对摩擦副的摩擦磨损特性。结果表明,该配对副适用于大PV值的工况条件,摩擦线速度是影响配对副综合摩擦学特性的主要因素。当材料选用1^#石墨,转速为750r/min、端面比压为1.77MPa、钢盘表面粗糙度Ra=0.2μm时,配对副的综合摩擦学特性最佳。

利用ANSYS软件建立了带聚四氟乙烯挡圈的丁腈橡胶星形密封圈结构的二维轴对称几何模型，分析了静压工作状态和往复运动状态下其密封机理、密封性能，并预测了星形密封圈易发生失效的具体部位。结果表明：在高压（流体压力＞10MPa）条件下，使用挡圈可以有效缓和星形密封圈的应力集中现象；星形密封圈非压力侧的内侧凸圆靠近挡圈区域易发生磨损失效；内侧的凹圆部位易发生撕裂失效。