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。

针对机械密封润滑膜厚度的精准测量问题,研究浸渍石墨微观特征对超声膜厚检测精度的影响,采用石墨化度和气孔率对浸渍石墨的微观特征进行表征。以烧制温度和颗粒度为工艺变量制备具有不同石墨化度和气孔率的石墨试样,对石墨试样的声阻抗和润滑膜厚度进行超声测试。结果表明:声阻抗随着石墨化度的增大而增大,随着气孔率的增大而减小,表明石墨化度和气孔率对石墨声阻抗的影响规律性明显;石墨化度和气孔率对润滑膜厚度值的影响,并不像对声阻抗的影响一样是单调变化的,原因是样品的内部孔隙导致了测量误差的产生;当润滑膜厚度标定值为2μm时,润滑膜厚度的测量值均略小于标定值,这是因标定装置的最小刻度大于被测物表面的粗糙度导致的。在机械密封润滑膜厚度的测试中应对每次试验单独进行声阻抗的测试,以消除其对膜厚测量结果的影响。

为了研究涡轮泵机械密封的摩擦学性能,本文建立了机械密封摩擦学性能的计算模型,对润滑膜厚度h、润滑膜承载力F和摩擦力矩Mf随工况的变化规律进行了分析;通过摩擦磨损和台架试验,对摩擦系数μ、体积磨损量ΔV、润滑膜温度T和摩擦力f进行了测量,分析了其对涡轮泵重复利用的影响。结果表明:h,F和Mf随转速变化明显,转速越高h,F和Mf越大,转速为35000 r/min时h,F和Mf出现最大值,分别为8.6μm、2.3 kN和2.89 N·m;在启动和停止阶段机械密封处于干摩擦或边界润滑状态,伴随的摩擦磨损现象将严重制约涡轮泵的重复使用;摩擦磨损试验获得μ和ΔV的平均值分别为0.22和0.27 cm3;台架试验中T和f的数值大小能够实时反映其所在的摩擦学状态,全尺寸试验件的磨损形貌反映出了摩擦磨损试验结果不能完全代替全尺寸的台架试验。

为了分析螺旋槽机械密封在气液两相润滑工况下的性能,采用液氮模拟涡轮泵的低黏介质润滑环境,获得了不同试验条件下液氮在两相中的比例k。引入气液时变混合因子λ,建立了λ与两相介质混合密度ρ和混合黏度μ的关系。给出了螺旋槽机械密封的气液两相量润滑计算模型,计算得到了两相润滑时机械密封的开启力F和泄漏量Q,并和试验结果进行了对比,在150~190 s时添加时变混合因子计算方法计算出的开启力和泄漏量较实测数据平均误差分别为6.71%和4.32%。结果表明:考虑两相影响的开启力和泄漏量计算值均小于不考虑两相影响的计算值,且端面液膜气化降低开启力的同时也减小了泄漏量。气液两相量润滑计算模型增加了螺旋槽机械密封性能计算的准确性,研究结果可为两相工况下的机械密封设计及性能优化提供参考。