考虑液膜空化效应的影响,研究螺旋槽液体润滑机械密封的动力学特性.基于液体润滑理论和小扰动法,建立了考虑液膜空化的密封微扰膜压控制方程,采用有限单元法对端面液膜三自由度微扰下的液膜刚度和阻尼系数进行了数值求解,分析了不同参数对液膜密封动力系数的影响.螺旋槽深度在10μm左右、槽坝比在0.75左右、槽宽比在0.4左右,螺旋角在9°左右时液膜具有最大的轴向和角向刚度系数.螺旋槽深度在5μm左右、槽宽比在0.6左右、螺旋角在20°左右时,两角向交叉阻尼绝对值最大.初始偏角的存在使密封压力呈现非对称性,从而使两角向动力系数绝对值不再相等.液膜轴向刚度kzz在数量级上远大于其余液膜刚度值,液膜轴向阻尼dzz、角向阻尼dαα和dββ远大于液膜其余阻尼值且随着转速和间隙的增大而减小.

为解决现有干气密封端面型槽型线方程表征能力不强和结构参数定义体系不统一的问题,提出了一种基于径向微段组合以表征任意形状型线的广义对数螺旋槽结构模型。给出了广义对数螺旋槽结构参数定义体系,对比了不同压力和速度条件下广义螺旋槽与经典螺旋槽干气密封的开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能,重点研究了广义螺旋角分布和型线周向偏转两个特征量对干气密封性能的影响,基于不同目标函数获得了广义螺旋槽的最优形状。结果表明:型槽上游侧壁型线形状对各项稳态性能参数均有显著影响,而下游侧壁型线形状仅对泄漏率和气膜刚度影响显著;经典对数螺旋槽是一种流体动静压效应很强的端面结构,单纯依靠型线优化难以使气膜承载力显著提高,不过在低压高速条件下优化广义螺旋角分布,在高压低速条件下合适设置型线周向偏转有望提高...

针对一种新型非规则V形表面织构化机械密封端面,建立了界面液膜的润滑模型,采用有限单元方法求解雷诺方程,研究了表面织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力对端面密封的承载力、泄漏率、摩擦因数和液膜刚度等密封性能参数的影响规律,并对经典三角形织构和圆形织构化端面密封进行了对比分析。结果表明:端面新型非规则V形织构具有收集和汇聚液膜的作用,增强了动压效应;织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力的变化对V形与三角形表面织构的密封性能影响较大,而对圆形织构表面的密封性能影响不明显;在研究几何和工况参数范围内,这种新型V形表面织构的机械密封性能相对较优,其承载力、摩擦因数与液膜刚度均略优于三角形织构,远优于圆形织构,研究结果可为织构化端面密封的设计开发提供支持。

超临界CO2(supercritical CO2,SCO2)干气密封是SCO2布雷顿循环系统中的关键零部件之一,但高压差、高转速和临界点附近CO2的非常规物性仍使其设计极具挑战。综合考虑实际气体效应、阻塞效应和湍流效应,该文建立SCO2干气密封稳态性能求解模型,研究不同压力、温度、转速和膜厚下各实际效应对SCO2干气密封开启力和泄漏率的影响规律,探讨各实际影响对密封性能的影响机制,获得了不同运行参数下的关键影响因素。结果显示湍流效应和实际气体效应对SCO2干气密封的稳态性能影响显著,阻塞效应影响较弱。湍流下密封开启力随转速的变化与层流下完全不同,这是由湍流效应对静压和动压开启力共同作用的结果。表明实际气体效应和湍流效应是SCO2干气密封设计中需要重点关注的因素。

干气密封流体膜与密封环间传热模型的合理选取对于准确求解密封温压分布和稳态性能至关重要。在CO2近临界工况下,对比研究了密封环等温模型、绝热模型和共轭热传递模型对超临界CO2干气密封端面温度、压力分布和开启力、泄漏率等稳态性能的影响,探讨了不同膜厚和转速条件下密封环等温模型和绝热模型的适用性,并基于共轭热传递模型研究了超临界CO2和空气介质干气密封的温压分布和稳态性能差异。结果表明:以共轭热传递模型计算结果为基准,密封环等温模型假设适用于小膜厚低速流动工况,不过开启力偏低而泄漏率偏高,绝热模型假设适用于大膜厚高速流动工况;相较于空气介质干气密封,超临界CO2干气密封在小膜厚下的温度分布和大膜厚下的压力分布基本接近,不过小膜厚下的温度更低,而在大膜厚下的压力更高。

超临界CO2压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO2和N2干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO2干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明:高频下超临界CO2干气密封的刚度和阻尼系数较N2干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。

基于气体润滑理论,建立了普通螺旋槽、上游泵送螺旋槽和双列螺旋槽三种典型螺旋槽干气密封(DGS)型螺旋槽DGS稳态性能差异的产生机理及不同膜厚扰动条件下干气密封瞬态性能的演变规律,定义了瞬态性能参数及其时间平均值相对稳态值的变化率,探究了膜厚扰动下的非线性效应对三种典型螺旋槽DGS瞬态性能的作用规律及稳态理论的适用范围。结果表明:上游泵送螺旋槽的开设对密封性有明显提升但对开启性有一定削弱;非线性效应的影响随膜厚扰动的增大而增大,在膜厚大幅扰动下,基于瞬态理论计算的密封性能参数平均值会明显大于稳态值,此时依靠稳态理论获得的计算结果误差较大;普通螺旋槽DGS受非线性因素的影响最小,在其稳态理论可接受的性能误差范围内,所允许的膜厚扰动相比另外两种螺旋槽DGS更大。

综合考虑密封端面间的粗糙表面接触、热弹性变形和黏温效应，结合JFO空化条件，建立了混合润滑状态下织构化端面机械密封的热弹流润滑（TEHD）理论分析模型．在航空泵用机械密封的操作工况范围内，应用有限单元法数值分析了圆形、方形和三角形等几种典型表面织构机械密封在稳定状态下的端面液膜压力、膜厚和膜温分布，以及对密封性能参数的影响规律．结果表明：表面织构对端面压力和温度分布影响很大；端面开三角形织构2的机械密封能获得最大的液膜承载比、最小摩擦系数、最高液膜刚度，在低压下能满足泄漏要求，因此性能最优。

基于唇形油封的反向泵送作用密封原理,提出了一种轴表面矩形微螺旋槽织构,以提升油封密封性能;建立了油封唇口稳态的符合质量守恒的流体润滑理论模型,考虑了油封唇口表面粗糙形貌和弹性变形的影响,采用有限元法求解流体压力控制方程,获得了泵送率和摩擦扭矩等性能参数,研究了矩形微螺旋槽织构参数和轴转速对油封密封性能的影响规律。结果表明：泵送率具有随微螺旋槽角度的增大而呈先缓慢增大后逐渐减小,且螺旋角最佳值约25°,随微螺旋槽深度、线数和轴转速的增大而增大等变化规律;摩擦扭矩具有随微螺旋槽角度、深度的增大而减小,随微螺旋槽线数的增大而增大,随轴转速的增大而呈先增大后减小以至趋于稳定等变化规律。研究结果为轴表面微槽织构提高油封密封性能的设计与应用提供了参考。

采用有限单元法求解了层流、等温条件下干气密封端面膜压的控制方程——雷诺方程,对比分析了普通螺旋槽（S-DGS）、带内环槽的螺旋槽（AS-DGS）和雁形螺旋槽（GS-DGS）3种典型型槽干气密封的端面气膜压力分布以及开启力、泄漏量、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数的增量比。结果表明,GS-DGS具有高的稳定性和好的密封性能,更适用于低速低压或高速高压场合。研究结果为上述3种典型螺旋槽干气密封的实际使用提供了理论依据。