通过有限元法对动态雷诺方程和液膜能量方程进行推导求解,建立了考虑流体热效应和空化效应的液膜密封动态特性模型,分析了槽数、槽深、转速以及压力对液膜密封动态特性参数的影响。结果表明:在考虑空化及热黏的条件下,各角向之间的相互影响较弱,耦合角向系数小于正角向及轴向系数;刚度系数的绝对值会随着槽数、槽深、转速和压力的增加而增加;阻尼系数的绝对值会随着转速和压力的增加而增加,随着槽数和槽深的增加而略有减少;槽数、槽深、转速和压力的增加均会使液膜的抗干扰能力增强。

针对液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下承载性能不足的问题,提出一种新型螺旋槽-波锥坝动静压组合型机械密封结构,采用MATLAB软件利用有限差分法求解考虑质量守恒空化边界的雷诺方程,并将组合槽与螺旋槽、波锥坝的密封性能进行比较,进一步分析不同结构参数与工况参数对组合槽性能参数的影响规律。结果表明:新槽型波数与螺旋槽数重合时组合密封在径向出现2个压力峰值,相较于单一槽型结构拥有更好的承载能力与较小的摩擦扭矩;液膜力与泄漏量随波锥比或径向宽度比的增加而增大,外径压力和转速越大,组合槽的承载性能提升越显著,但外径压力的升高会造成较大的径向泄漏。组合槽结合了波锥槽的静压承载与螺旋槽的动压承载综合优势,将有效提升液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下的润滑性能。

自紧式V形金属密封在液体火箭发动机中有广泛应用,然而不同使用环境下的结构形式、几何参数、材料选用等变化繁多。基于工况和空间约束设计了一种V形金属密封结构,并基于ABAQUS平台,建立V形金属密封装配-承压-卸载-拆卸全工作过程有限元模型,研究工作全过程的密封特性和可控几何参数影响。结果表明:密封唇高温承压后屈服变形并持续增加属塑性变形,密封悬臂处塑性变形先增加后保持不变,具备良好自紧特性,拆卸分离后密封唇处无明显局部压痕、密封件回弹率为88.4%,可保证密封性能和重复使用性;回弹率随两悬臂间内张角α和悬臂内外侧张角β增加而增加,β对接触压强和回弹率影响大于α;通过几何参数优化,可进一步提高回弹率。

针对液体火箭发动机大直径高温高压轻量化法兰变形量大导致密封泄漏的问题,采用Walters法结合三维仿真实验对法兰变形进行分析,阐明了法兰变形量及U-E金属主/副密封面密封比压变化,通过法兰变形量对U-E主/副密封之间的高度进行匹配设计;对于U-E密封复杂横截面多结构参数,设计正交实验,结合法兰变形量,系统开展了U-E金属主/副密封设计。结果表明:法兰变形导致压缩量减小,密封回弹量增大,可导致U-E结构的密封比压不足;通过增加压缩量,增加U-E主/副密封高度差,U-E密封正交试验的结构优化,有效地解决了法兰变形下的密封比压不足问题。对优化后的结构进行重复充泄压试验,试验结果均满足要求。