泵叶轮口环密封的动力特性与口环间隙内部流动特性乃至泵的运转稳定性密切相关,流动特性的改善可通过口环密封面造型来实现,为此,提出一种针对小间隙的“密封坝+螺旋线槽”微造型口环密封结构以期获得更优的口环密封动力特性。研究表明层流模型和湍流模型计算得到的口环密封动力特性和密封性能在基本规律上具有较好的相似性,只是在参数变化的趋势和幅度上存在一定的差别,分析认为湍流模型能够更充分地反映微间隙、微结构对流动特性的影响;螺旋槽产生的动压效应和泵送效应随转速的升高、径向间隙的减小而增强;与光滑口环相比,螺旋槽口环能明显提高液膜最大压力值,且随动环偏心距的增大提升幅度更显著;可见螺旋槽造型能使口环转子获得更好的对中性,减少磨损,延长使用寿命。

运行工况下的瞬时变化对密封结构有较大的影响。本文以口环密封为研究对象,基于6DOF模型,采用瞬态方法计算了口环密封结构在重力作用下0.1 s时间内的冲击响应,给出了不同时刻转子的轴心轨迹、密封力以及最大密封压力,并进行了不同密封半径间隙、不同流体粘度以及不同转速下的影响规律分析。研究结果表明,最大密封压力和重力Y方向的密封力随着冲击时间快速增加并达到峰值后迅速降低,然后慢慢趋于稳定。密封间隙越大,轴心运动轨迹位移响应振幅越大,Y方向的最大密封力和最大密封压力也越大。液体粘度越大,轴心运动轨迹位移响应振幅越小,Y方向的密封力和密封压力变化越小。同时研究结果表明,不同转速对Y方向的最大密封力和最大密封压力影响并不大。

为探究转子偏心率对核主泵转子密封激励力的影响,基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,选取平面密封、迷宫密封和螺旋密封3种口环结构方案,对核主泵口环间隙内部流动进行数值计算,得到口环间隙区域压力、泄漏量及其密封激励力的分布规律。结果表明,模型泵性能预测值和试验值较为吻合,扬程最大误差为4.78%。在转子无偏心时,相对于平面密封,采用螺旋密封方案时口环泄漏量显著降低93.1%,而密封激励力增加63%。偏心率为10%时,口环压力分布沿周向较为均匀;当偏心率为30%时,周向靠近偏心位置处,口环间隙内部产生带状压力突升区,相对于无偏心方案,平面密封的泄漏量显著降低43.6%,而密封激励力增大4.4倍,迷宫密封和螺旋密封方案可显著降低转子偏心产生的密封激励力,其中迷宫密封可显著降低55%;偏心率为50%时,口环间隙内部带状压力突升区域偏向高压...

为了研究不同形式密封结构对高速离心泵密封动力学特性的影响,通过数值计算的方法对环形密封、迷宫密封、轴向槽型密封3种不同形式的密封结构在相同边界条件下的泄漏量、刚度阻尼特性和密封内流特性等方面进行了研究。研究结果表明:迷宫密封的密封效果最好,环形密封次之,轴向槽型密封最差;轴向槽型密封的泄漏量比迷宫密封高出34%。然而,轴向槽型密封的主刚度系数和主阻尼系数较迷宫密封高出1倍以上,密封动力学特性最好;且轴向槽型密封可以减弱密封内部环流,减弱进口预旋速度。