液体润滑端面机械密封是流程工业用机泵轴端密封的主要形式,且大量应用于航空航天、海洋工程装备和高端制造装备中,实际运行过程中其端面间液体膜常常发生相变,由此产生端面变形、干磨和密封失稳等现象,甚至完全失效,严重影响了有关设备或整个装置的安全可靠与稳定运行,因此开展汽液两相流端面机械密封研究具有重要意义.本文中综述了近50年来汽液两相端面机械密封的研究现状,归纳出了机械密封的典型热源及其热传播途径,阐述了机械密封的相变原理,总结了端面流体膜参数的测量技术与方法;在试验研究方面,提出机械密封的端面液膜汽化主要与操作工况、几何尺寸和表面形貌或表面织构有关,其中端面液体入口和出口工况、平衡比和端面变形程度等受到关注,但缺少关于端面形貌或织构的深度研究,也缺少端面摩擦副合理配对的系统研究;在理论研

高速旋转设备的转轴振动给干气密封的动态稳定运行带来了极大的挑战。基于Laplace变换推导获得了不同“阻尼-刚度-质量”数值条件下干气密封轴向自由振动、强迫振动位移响应及其周期峰的显式解析表达式,研究了浮动环质量、激励频率、刚度和阻尼参数对干气密封轴向自由振动及其过渡振动阶段性能、轴向强迫振动周期峰的影响规律。结果表明:在干气密封轴向自由振动中,系统轴向总阻尼起着决定性作用,过阻尼状态和欠阻尼状态下浮动环质量和系统轴向总刚度对密封自振特性影响差异明显;在强迫振动中,过大的弹簧刚度和辅助密封阻尼不利于密封追随性,较大的轴向气膜阻尼和当超过一定阈值时较大的轴向气膜刚度有利于密封追随性。研究结果为干气密封动态稳定性评估和结构设计提供了理论指导。

研究了高压低速和高速低压两种典型工况条件下干气密封（DGS）螺旋槽的衍生结构演变规律与工况适用性.基于气体润滑理论,建立了槽堰组合螺旋槽DGS数学模型,采用有限差分法求解稳态雷诺方程.基于完全析因设计方法,数值计算了不同槽堰组合螺旋槽DGS的稳态密封性能随开槽面积比的变化规律,对比分析了槽堰组合螺旋槽DGS与螺旋槽DGS的密封性能最优值,并提出了不同工况条件下进一步提高螺旋槽DGS气膜刚度的结构改型方向.结果表明：通过基体螺旋槽与附加密封堰的组合设计有望显著提高螺旋槽DGS的气膜刚度,其中在高速低压条件下附加密封堰设在上游侧中间的双流通槽DGS的气膜刚度增幅达到20%;存在不同的最佳开槽面积比使得槽堰组合螺旋槽获得最大的开启力和气膜刚度.

为解决干气密封(DGS)端面型槽优化中未考虑型槽几何参数之间对目标函数交互影响而导致几何参数优化结果不准确的问题,研究了不同速度条件下DGS螺旋槽中其他几何参数对某一几何参数优选值的交互影响。基于气体润滑理论,建立了螺旋槽DGS的几何模型和数学模型,数值求解获得端面膜压分布和稳态性能参数,定义了综合表征螺旋槽几何结构的特征参数。以气膜刚度最大为优选目标,获得了不同速度条件下DGS螺旋槽中某一几何参数优选值随其他几何参数的变化规律。结果表明DGS螺旋槽各几何参数两两之间呈现出复杂的交互影响关系,不过总体符合趋向于降低槽内实际通流面积、槽长宽比和槽长深比3个综合参数变化幅值的原则;与单因素优化方法相比,在给定算例参数条件下所提出的考虑几何参数交互影响的优化方法所获得气膜刚度最优值提高11.4%。

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。

考虑到目前压力油封理论研究较少,本文基于有限元法建立了油封的二维轴对称接触分析模型,采用田口方法,在中低压工况下研究了油封的几个关键设计参数对其接触特性及稳定性的影响。结果表明:缩减油封腰长,增大腰厚,降低过盈量或增大大气侧夹角均可有效缩小接触宽度、提高密封区域稳定性;增大油封腰部厚度,降低过盈量,加大弹簧槽与唇口的距离,减小弹簧劲度系数皆能有效降低油封径向力、减小径向力的波动。通过合理设计油封唇部结构,可提高油封耐压性,使油封在压力场合中更稳定、可靠运行。

以高速涡轮泵用机械密封为研究对象,以15~#液压油为试验介质,考虑循环冷却量、转速、介质压力以及不同摩擦副配对等因素,采用自行搭建的高速密封试验台开展端面温度变化规律的研究.结果表明:对于高速机械密封,上述因素均对端面温度产生影响,其中转速对端面温度的影响基本成线性关系,循环冷却量对端面温度的影响存在一个阈值,建议实际设计时取阈值的120%,介质压力对端面温度产生影响较大,但是影响程度不如转速;以尽可能获得低的端面温度值来判断,用作静环时浸渍树脂石墨比普通石墨合适,用作动环时碳化硅比钼合金合适.

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。