基于转子在临界转速下的涡动特性,分析转子涡动的轴心运动轨迹。由于动环圆心运动轨迹追随转子,故以动环圆心的圆形运动轨迹为研究点,建立动环偏心的液膜区域模型。采用有限差分法对广义雷诺方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到液膜密封端面压力分布,并探讨动环偏心距对液膜开启力、摩擦扭矩、泄漏量以及空化率等液膜密封性能参数的影响规律。结果表明:随着偏心距的增大,内径开槽的密封环槽区面积减少,导致动压效应降低,使密封端面压力呈现出不对称分布的结果;液膜开启力和摩擦扭矩由于密封环表面压力降低且分布不均匀都呈现出下降的趋势;泄漏量随偏心距的增加有下降的趋势,而空化率随着偏心距增加呈现出先上升后下降的规律。

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。

为进一步探索液膜密封性能影响机制,以上游泵送螺旋槽液膜密封为研究对象,基于满足质量守恒的Schnerr-Sauer空化模型,建立密封环涡动模型并基于圆形涡动轨迹,探讨了不同操作工况如压差、转速和膜厚时,涡动方向对密封性能和液膜空化影响。结果表明:正向涡动在变压差和变转速时均可提升液膜承载能力但加剧了泄漏量,反向涡动虽减小泄漏量但较大幅度降低液膜承载能力,不利于密封稳定性;变膜厚时,反向涡动显著降低液膜承载能力,而较大膜厚时正向涡动提升液膜承载能力相对较小;正向涡动有效促生液膜空化,而反向涡动在变压差时有助于抑制液膜空化但低速时对其无影响,并且受膜厚影响较小。

液膜中空化的产生会影响密封润滑性能。基于质量守恒的JFO空化边界条件,建立螺旋槽液膜密封数学模型,采用流线迎风有限元法求解Reynolds控制方程,获得端面空化分布,并通过可视化试验进行了验证。以空化临界转速和临界压力为表征,分析了螺旋槽结构参数对空化特性的影响。结果表明螺旋槽内空化区域呈机翼截面型,且随着转速的增加而变大,随着内径压力的增加而减小,空化周向最大长度位于近槽根处;空化临界转速随着槽数、槽深的增加而增加,随着螺旋角、槽长坝长比、槽台宽比的增加而减小;空化临界压力随各结构参数的变化趋势与空化临界转速相反。通过对各结构参数的合理选择,可实现对空化的有效控制。