建立了螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性的计算模型,耦合求解了含流量因子、接触因子及质量守恒空化边界的雷诺方程、弹塑性粗糙峰接触方程及动力学方程,比较了不同运行工况及结构参数的润滑状态转变过程。结果表明增速阶段流体承载力与液膜厚度不断增大,粗糙峰承载力逐渐减小至消失;相比较于流体动压润滑状态,混合摩擦状态的液膜刚度较大且振荡幅值明显,在到达脱开转速时刻有较大的轴向速度突变。受挤压效应影响,较小的启动加速度可以在低转速下进入流体润滑状态,较高的外压和较低的内压均有利于润滑状态的转变。随槽数的增加,脱开转速呈先增大后减小趋势,螺旋角与槽深的减小或槽坝比的增大均对润滑状态转变能力起促进作用。

液膜密封运行过程因工况瞬时变化、系统振动及润滑不足等因素易引发端面接触冲击,严重影响密封寿命。建立考虑端面接触的液膜密封动力学模型,采用直接数值求解方法对运动方程、质量守恒空化边界雷诺方程、微凸体接触方程在全时间域内耦合求解,研究了液膜空化、轴向扰动及运行工况瞬变对密封稳定性与冲击特性的影响。结果表明液膜空化有效提高了系统抗干扰能力,膜厚越小,受扰动后震荡频率越大且恢复至稳定状态的时间越长;发生端面冲击时膜厚振动频率显著大于全液膜状态下所受扰动情况。随转速及密封腔压力变化值的不断扩大,接触载荷值及冲击频率均不断增大,冲力响应越显著,在端面接触发生瞬间有明显的速度方向突变。

建立沿螺旋线排列的端面微造型机械密封液膜模型，基于质量守恒方程，考虑槽区深度、槽区半径、非槽区深度、螺旋角等几何参数及压差、转速等工况参数对开启力、泄漏量的影响；并基于高速实验台，测量了端面间的摩擦扭矩，同时与模拟结果对比。结果表明：固定压差时，随着槽区深度增加，开启力和泄漏量增加，固定转速时，泄漏量增加，开启力先增加后减小；随着槽区半径或螺旋角的增加，开启力和泄漏量减小；压差和转速的增加使得端面间摩擦扭矩增加，且实验值大于模拟值。

为进一步探索液膜密封端面空穴发生诱因及其影响规律,本文基于JFO(Jakobsson-Floberg-Olsson)空化边界,建立双坝区中间开螺旋槽的液膜密封物理模型,通过空穴可视化实验验证了程序算法的准确性,分析了不同空化边界下液膜密封的空穴特征。以密封面间润滑液体的液膜压力和密度变化为判据,探讨了槽深、槽角和槽数等参数对液膜始破位置、重生位置及空穴发生面积的影响。结果表明相比Half-Sommerfeld和Reynolds空化边界,基于JFO空化边界计算的空穴特征能更好地与实验结果相吻合;较大槽深和槽数,均缩小了液膜始破位置沿螺旋方向的空穴长度和液膜重生位置沿周向的空穴宽度,前者提升了两位置的空穴度,而后者降低了液膜重生位置的空穴度;槽角的增大,在扩大两位置空穴尺度的同时,提升了相应位置的空穴度;而液膜中空穴发生面积随槽深的增加线性降低,在较小槽...

运行工况的瞬时变化严重影响密封性能。利用Matlab建立密封环端面间隙液膜三维模型,采用有限差分法离散基于JFO空化边界条件的雷诺方程,应用SOR迭代求解液膜压力分布,进一步耦合求解雷诺方程与瞬态动力学方程,分析工况连续变化及压力扰动对密封瞬态特性的影响。结果表明相比于转速瞬时变化,压力瞬时变化过程中挤压效应对密封性能的影响更为显著,密封端面趋近速度越大,由液膜挤压产生的承载能力越高,端面流体被排出的速度越大;压力瞬时变化易引发静环轴向速度振荡,压差越大,振荡幅值越大;压力扰动情况下,空化率与泄漏量急剧突变后趋于稳定,压力突升相比于压力突降更易恢复稳定状态;摩擦扭矩在变工况过程中平稳变化,无较大幅度波动。