针对火箭发动机涡轮泵螺旋槽机械密封低黏润滑及快速启动的工况,展开动、静环脱开转速nt的计算和试验研究。引入表面粗糙度判据,建立了nt的理论分析模型;计算分析了载荷W、槽深hg及介质黏度μ等因素影响下,机械密封升速过程中润滑膜厚度h和nt的变化规律;在试验台架上进行了机械密封的升速试验,根据试验数据对nt进行了判断分析。研究结果表明:W由5 kN提升至10 kN后,nt增加了76.5%,hg由5μm增加到15μm后,nt增加了143.9%,采用水作为润滑剂时的nt分别是采用液氢和煤油时的4.0倍和2.1倍;以试验数据Q和T判断得到的nt与理论分析结果相差较大,以P判断得到的nt与理论分析结果相差较小,以F判断得到的nt与理论分析数据吻合,可采用P和F作为在试验中测试nt的判据。

为研究转速对旋转式唇形密封圈接触性能参数的影响规律,采用ANSYS软件建立唇形密封圈在旋转离心力作用下的有限元模型,求解唇形密封圈的应力应变和接触性能参数。结果表明,在研究的密封圈转速范围内,密封圈的应力应变集中作用在其腰部结构和唇口部位;随着转速的增加,密封圈接触宽度、接触压力最大值和径向力等接触性能参数呈现非线性减小,接触压力的分布形状从非对称性逐步转变为对称性。研究结果可为旋转式唇形密封圈脱开转速的工程设计提供理论参考。

为探究旋转式密封圈脱开全过程的密封性能参数变化,借助非线性有限元软件ANSYS,建立三维的“超弹性体”的两参数Mooney-Rivlin橡胶模型、弹簧和“刚体”的静止轴模型,研究传统唇型密封圈和2种新型唇形密封圈(G形与S形)在脱开过程中接触压力、接触宽度、摩擦力的变化规律,分析入口压力、过盈量、弹簧力、橡胶密度对脱开转速的影响。结果表明:3种旋转式密封圈的接触压力、接触宽度均随转速增加而减少且减少的速率相同,摩擦力随转速的增加先增大再减少;3种旋转式密封圈的最大接触压力均发生在唇口靠近空气侧,空气侧与介质侧的接触宽度之比为2∶1,从唇口到空气侧的0.6 mm内,接触压力均趋近于最高值;入口压力对脱开转速影响最大,橡胶密度对脱开转速的影响也较大,而过盈量和弹簧力的影响较小;G形和S形唇形密封结构的脱开转速比传统密封结构低40%左