Page 5 - 摩擦学学报2025年第8期

第 8 期 侯正烜, 等: 涡轮泵动静压机械密封端面液氧相变特性研究 1103

密封中有广阔的应用前景 [16-17] . Zhang等 [18-19] 设计了1种 径侧分别预留密封坝. 如图1(b)所示的静环端面，圆形
新型低温火箭发动机涡轮泵混合轴承，并研究了两相 均压深槽位于静环端面低压侧，在均压槽内周向均匀
状态下动静压轴承的静态和动态性能. 孙见君等 [20-22] 开设静压孔与密封腔相通，以引入密封腔内深冷介质，
提出1种自泵送流体动静压型机械密封，研究了几何 图中w 、r 、r 、r 和d 分别为均压槽槽宽、外径、内径、
jo
j
or
ji
k
参数和工况参数对其稳态性能的影响规律. 王建磊等 [23] 静压孔圆心半径和节流孔孔径. 密封端面内径为r ，外径
i
设计了动静压机械密封结构，并对静环节流孔及动环 为r . 相关几何参数间的关系需满足：r <r ，r <r <r .
o
g
jo
ji
b
o

[24]
动压槽进行了重点设计. 孟祥铠等 提出了1种动静 1.2 数学模型
压结合型机械密封端面结构，分析了端面动静压结构 以密封端面的润滑液膜为研究对象，考虑润滑液
几何参数对密封性能的影响规律，对动静压结构进行 膜的周期性分布特征，取如图1所示的1个周期性区域
了优化设计. 上述理论研究结果表明，动静压结合型 为计算域，Hughes等 分别采用等温层流模型和绝热
[4]
机械密封具有更大的液膜开启力和更好的泄漏控制 湍流模型对两相端面密封进行了对比分析，结果表明
能力. 然而，涡轮泵深冷低黏液氢和液氧介质极易发
密封间隙较小时(h <10 m)，端面流体膜产生相变过
−5
c
生相变，相变特性对流体膜承载能力和泄漏的影响有
程中2种计算模型下开启力间的误差在5%左右，且当
待于深入分析.
密封端面膜厚较小时，低泄漏等温层流模型计算结果
为研究深冷低黏介质液氧汽化相变对动静压型
更加准确，层流与湍流之间对两相端面密封的影响差
机械密封性能的影响规律和作用机制，本文中基于
距较小，在本文研究范围内膜厚较小且泄漏率低，因
[13]
Wang等 所提出的均相相变模型，以1种具备上游泵
此忽略了湍流的影响. 假设密封动静环端面处于平行
送性能的动静压结合型机械密封为研究对象，基于有
状态，密封端面理想光滑，气相和液相之间不存在相对
限单元法求解流体膜润滑方程和气液相传质方程，研
[13]
滑移，忽略端面液膜的黏性剪切热. 根据Wang等 的
究了密封端面液氧的压力分布和相变特性，分析了相
均相润滑模型，流体膜可由公式(1)的均相Reynolds方
变影响下的机械密封性能，并给出了优选的密封端面
程和传质控制方程表征.
动静压结构参数. 研究结果可为液体火箭涡轮泵非接
3
∂ Å ρh ∂p ρh ã ∂ Å ρh ∂p ρh ã
3
触式机械密封的研制提供指导. − +U x + − +U y = 0

∂x 12µ ∂x 2 ∂y 12µ ∂y 2
(1)
1 计算模型
h ∂p U x ∂F L h ∂p
Å 2 ã Å 2
1.1 物理模型 12µ ∂x − 2 ∂x + 12µ ∂y −
图1所示为本文中所研究的具有上游泵送性能的 ã ïÅ 2 ã
U y ∂F L F L (1− F L ) h ∂p U x ∂p
− − +
动静压型机械密封端面结构 . 如图1(a)所示，呈周期 2 ∂y P 12µ ∂x 2 ∂x
[24]
性分布的螺旋槽沿周向均匀开设于动环端面，螺旋槽 Å h ∂p U y ã ∂p ò Å 1− F L F L ã
2
− = − + S (2)
的槽底半径为r ，螺旋角为α，槽深为h ，动环端面内外 12µ ∂y 2 ∂y ρ L ρ G
g
g

y y
Computational
domain
Computational
Seal weir r i Orifice domain
r o
Tank r ji
Seal dam r g r jo
x x
Spiral groove r b d k r or
α w
ω w j
α g
(a) End face of rotor (b) End face of stator
Fig. 1 Geometric model of dynamic and static mechanical seal
图 1 动静压型机械密封几何模型