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%。

为考察旋转油封在中低压工况下的性能,以TC、TCG、耐压TCV、有支撑环的TCGZ四种典型在役油封为试验对象,以YH-15航空液压油为密封介质,在轴转速600~8 000 r/min、油压0~0.2 MPa的工况范围内,试验测试了上述四种油封的摩擦扭矩和摩擦界面附近轴端平面温度.结果表明：摩擦扭矩随转速的变化规律与油封结构及油压有关;TC在中低压工况下性能欠佳,其摩擦扭矩及轴端面温度对油压的变化较为敏感;TCV的唇口短而厚,其耐压性较好,不同油压下所测性能参数较稳定;油压对TCG的摩擦扭矩及轴端面平均温度影响最大;因支撑环能承担部分油压,与TCG相比,油压对TCGZ的摩擦学性能及温度的影响明显减弱,但与TCV相比,其耐压性能仍有待提高.

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。

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。

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。