气液混合两相流的动静压密封性能分析

摘要

液体火箭发动机高速涡轮泵轴端机械密封（又称端面密封），是泵系统重要的功能部件，防止了发动机燃料和氧化剂的泄漏接触。为此，前期提出了动静结合型机械密封方案。已有的理论和试验结果表明其具有工作可靠、泄漏量小、功耗小、工作寿命长、端面磨损能自动补偿等优点。然而，受限于此类密封工作在极端的低温高速环境，会出现严重的两相流的情况；因此非常有必要将现有的基于纯液体润滑机械密封模型发展到考虑两相因素的润滑模型。为此本文提出并建立一种考虑气液同质两相流润滑的动静结合型机械密封模型，并数值求解获得其相关性能，为高可靠性和稳定性的密封提供理论研究基础。论文的具体内容包括： 首先，建立耦合两相流密度粘度模型的动静结合型机械密封性能求解耦合模型。该耦合模型能够用于阐述混合流体机械密封的成膜机理；模型包含无量纲的广义雷诺方程、状态方程以及两相流模型；采用有限元法求解了耦合模型，得到了其压力分布、泄漏量、密封开启力（闭合力）、功耗、温升以及典型的动特性系数（8个刚度阻尼系数）。 其次，对得到的结果进行性能分析。本文从载荷、泄漏量、功耗、刚度和阻尼系数等5个方面分析机械密封的密封性能。 然后，对螺旋槽式机械密封进行了参数优化设计，分析的结构为螺旋槽的槽数、槽深和螺旋角。优化的目标选定为K/Q最大（密封的刚度系数/泄漏量），液膜产生的功耗较小。得到的优化结果为：槽数选20，槽深选0.005mm和螺旋角为17.5°。 最后，对机械密封进行了试验测试。整个试验系统由传动系统、密封系统和数据采集系统组成。在试验中发现，随着转速的增加，温度也在逐渐的增加，并且在转速达到一定程度后出现了两相流现象。 研究结果对于指导极端工况下高速涡轮泵轴端机械密封的设计具有重要的理论指导价值，亦可对其他类型两相流润滑下的密封或者轴承设计提供参考。

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