高速涡轮泵静压式隔离密封气膜润滑机理与密封性能研究
液体火箭动力系统中的涡轮泵隔离密封系统处于高速、低温、高振动等严苛工况下运行，为保证其长寿命、高稳定性运转，对其设计和性能提出了较大的挑战。为适应低温高速涡轮泵隔离需求，本文设计一种非接触式的静压式隔离密封，该密封具有寿命长、抗激振能力强、性能稳定的优点，对于涡轮泵隔离需求具有较强的适用性。本文通过数值分析及试验验证对静压式隔离密封开展了系统而深入的研究。 针对密封组件进行热平衡及力平衡分析，并分析密封端面间气体薄膜流动特点，基于多物理场耦合分析方法，采用ANSYS、Fluent软件，建立静压式隔离密封性能分析模型。计算气膜压力分布，获得气体流动状态及规律。分析气膜粘性剪切热及低温介质与密封环间对流传热，讨论温度、流体压力对密封环影响。并通过试验结果对比验证了模型的准确性。 基于静压式隔离密封气体薄膜流场分析模型，探究气膜润滑机理发现气膜润滑的实现是由气体在密封端面间形成稳定压力分布实现的。分析入口压力、动环转速对气膜承载力、气膜刚度及摩擦功耗等气膜润滑特性参数的影响规律，得到了气膜压力分布快速估算方法。进行了气膜润滑试验，对比端面开启及未开启两种状态摩擦系数，可知气膜润滑状态下摩擦系数仅为干摩擦状态的摩擦系数0.6％,具有良好的润滑性能。 分析在工况条件下密封端面变形趋势及特点，在低温环境中，密封端面呈现“发散型”变化趋势，被隔离介质提供的低温环境在密封端面变形中占主导地位。分析入口压力、气膜厚度、稳压槽宽度、节流孔个数等单参数对密封泄漏特性及开启特性的影响规律，基于正交优化方法对静压式隔离密封进行多参数优化，提出一种可得到最优气膜刚度结构参数组合，总结静压式隔离密封设计方法，为后续结构设计及优化提供理论指导。 设计并搭建静压式隔离密封原理性试验平台，进行密封气膜厚度试验、静压试验和变压力、变转速的运转试验。获得气膜开启厚度随入口压力变化规律，同时得到了耗气量、泄漏量随入口压力、转速变化规律,验证了静压式隔离密封工作特性分析模型的准确性，静压式隔离密封可行性及设计正确性。 本文通过对静压式隔离密封气膜润滑机理及密封性能的研究，获得了气膜润滑特性，分析了工况参数及结构参数对密封性能的影响规律，形成了具体的设计方法，验证了静压式隔离密封可行性及结构合理性，为静压式隔离密封的设计及优化提供了理论基础及指导。
液体火箭;涡轮泵;静压式隔离密封;气体薄膜;润滑机理;密封性能
北京化工大学
硕士
机械
李双喜;贾祥际
2023
中文
V434.21
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）