Page 9 - 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 1107

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0
Pressure/MPa

p o =2.0 MPa-PC
p o =2.0 MPa-PC p o =2.0 MPa-RE

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0 3.4 3.8
Pressure/MPa
p o =2.5 MPa-PC
p o =2.5 MPa-PC p o =2.5 MPa-RE

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0 3.4 3.8 4.2 p o =3.0 MPa-PC
Pressure/MPa
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
p o =3.0 MPa-PC p o =3.0 MPa-RE F L
(a) Film pressure (b) Liquid volume fraction

Fig. 5 Film pressure and phase distribution under different medium pressures
图 5 不同介质压力下液膜压力及相态分布

5.0 125 K-PC
5 130 K-PC 1.0
135 K-PC
4.5 RE 125 K 4 140 K-PC 0.8
130 K 125 K-PC
135 K 130 K-PC
p/MPa 4.0 140 K 125 K p/MPa 3 125 K-RE F L 0.6 135 K-PC
140 K-PC
130 K-RE
130 K
135 K 2 135 K-RE 0.4
3.5 140 K PC 140 K-RE
1 Dam Groove Groove Dam 0.2 Dam Groove Groove Dam
3.0 Groove region 1 Weir area 0 area region 2 region 1 area 0.0 area region 2 region 1 area
0 5 10 15 20 25 30 30 35 40 45 30 35 40 45
Angle/(°) x/mm x/mm
(a) Film pressure distribution at (b) Film pressure distribution (c) Liquid volume fraction
r = 42.5 mm along spiral line along spiral line

Fig. 6 Film pressure and liquid volume fraction along circumferential and spiral line
图 6 端面周向及螺旋线方向液膜压力及相态分布

动压效应迅速增大直至螺旋槽上游侧，其后迅速减小 后缓慢减小，再迅速减小，气液两相区的液相分数分
后再缓慢减小至密封压力. 这种膜压分布表明了密封 布存在一平台区，这是因为相较于两相突变交界处，
介质在端面的流向，密封腔内的介质由静压孔进入密 两相混合区域压降较小，且温度越高，此平台区域越
封端面均压槽，一部分流体在螺旋槽的上游泵送作用 大. 需要说明的是，由于内径侧逸出的介质为气态氧，

下向上游侧流动，最终泵送回密封腔，而另一部分通 相同条件下其泄漏率必然小于液态条件下的泄漏率.

过下游侧的密封坝形成泄漏. 比较而言，在下游侧密 2.2 不同参数下相变对密封性能的影响

封坝位置，由于相变的影响，膜压大于RE模型的膜压 2.2.1 不同转速下温度的影响
值，而在螺旋槽区，相变模型的膜压则小于RE模型的 图7所示为动静压型机械密封在不同转速下各密
膜压，温度越低，膜压分布的差距越大. 由图6(c)所示 封性能随温度的变化规律. 如图7(a)所示，对于RE模
的相态分布可见，在不同温度下，均压槽上游侧液相 型，开启力F 随温度T的增大而减小，这是因为温度的
o
分数比为1，表明介质氧均处于液体状态，而在均压槽 升高导致动力黏度降低，动压效应减小，导致开启力
下游侧，液相分数比逐渐降低，温度越高，气液分界面 不断减小. 而对于PC模型，在10 000和30 000 r/min转
越靠近均压槽侧，表明汽化相变程度越大. 在同一温 速下，端面开启力随温度的升高而增大，转速越大其
度下(如140 K)，均压槽下游侧液相分数比先迅速减小 增大趋势越不明显；在高转速下(50 000 r/min)，开启