以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明:超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。

冲洗是强化机械密封换热的主要措施之一,但在一些特殊场合下冲洗量的大小往往是给定的,因此,需要采取一些强制换热措施来改善机械密封的运行环境。通过在密封环的外周面开设织构,针对冲洗量一定的情况,基于SST k-ω湍流模型,采用Ω方法分析了不同转速下织构深径比对端面温度、外周面局部努塞尔数Nu和织构区域流场的影响,对比研究了动环织构和静环织构的换热机理。研究结果表明:在相同工况、冲洗量和织构几何参数条件下,若动静环外周面单独开设织构,则动环的换热效果更佳。在相同转速下,动环外周面开设织构时,减小深径比会使织构内部换热效果差的区域增大,换热效果减弱,但对于静环织构,减小深径比会使织构流体流动下游侧换热效果差的区域减小,换热效果增强;随着转速的增大,较小深径比动环织构内部出现了新的差换热效果区域,单位面积...

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.

为改善旋转式唇形密封的密封性能,在轴表面开椭圆形织构,考虑密封唇口的径向变形、粗糙峰剪切变形和油膜压力的耦合,建立了唇封三维周期性软弹流润滑模型。采用有限单元法与数值迭代技术求解润滑方程获得了反向泵送率、摩擦扭矩和液膜承载力等性能参数,研究了椭圆形微织构及其结构参数对油封密封性能的影响规律,对椭圆形织构进行了结构优化分析。结果表明,密封轴的表面织构化可明显改善润滑状态,并提高泵送率。该研究对于油封的增强润滑、减少泄漏和磨损具有工程参考价值。

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。