低温高速动静结合型机械密封两相流仿真与实验

液体火箭发动机高速涡轮泵轴端动静结合型机械密封端面液膜受低温、高速、高压等极端工况影响极易产生气液两相流现象;诱发两相流的机制及相变对密封的影响规律尚不明确,亟需发展相关的仿真模型并开展实验验证工作。以某高速涡轮泵用动静结合型螺旋槽机械密封为研究对象,基于Laminar层流及Mixture多相流模型,开展了低温、高速等极端工况下密封间隙内流体的空化相变特性研究;以泄漏量、开启力与内部气相体积占比等性能参数为表征指标,分析了该类密封在液氮介质环境工况参数对两相流动特性和相态转变的影响规律。结果表明随着密封间隙增加将导致两相流在有限约束范围内的体积增大,较弱的动压效应导致内部压力产生较小变化进而使得空化相变能力减小;气相体积占比随着液膜温度的增加而增大,随着密封介质压力的增加而减小。开展了低温实验研究,并验证了仿真模型的正确性,理论与实验结果将有助于深入理解低温高速动静结合型机械密封两相流机理,对可重复高速涡轮泵的运行可靠性和稳定性提升具有重要的实践价值。

高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验

在分析高速涡轮泵轴端非接触动静结合型机械密封所处的高速、低温、高压力、低黏度介质润滑等极端工况基础上,发展了考虑密封副固体、被密封流体、弹性补偿支撑单元等在内的热、流、固、力耦合的密封综合性能求解模型。基于此模型,完成了对处在低温、低黏度润滑介质下的机械密封运转性能的分析及关键结构参数的优化,优化的目标为密封承受载荷力W和泄漏量Q为最大及液膜产生的功耗(或温升)较小。以优化后的密封样件开展了低温液氮模拟介质运转试验,考察优化后密封在低温条件下的快速启动特性和摩擦特性。结果表明:低温高速工况下的密封外人字槽和内螺旋槽组合结构的槽数为30、槽深为3μm为一类优化结果,低温运转试验表明正常工作时端面摩擦因数为0.14。