高参数机械密封多场耦合动态模型与液膜润滑稳定性研究

变工况运行状态在核主冷泵用高参数机械密封(RCP-MS)操作中不可避免，保持密封端面间润滑液膜的稳定存在对于保证RCP-MS安全长周期可靠运行至关重要。为探索工况变化对密封端面液膜润滑稳定性的影响，考虑机械密封环、润滑液膜以及密封腔内密封介质三者之间的流-固-热-力耦合关系，结合润滑液膜空化和流体流态的影响，综合利用流体力学、传热学、固体力学、摩擦学以及动力学等相关理论知识，建立RCP-MS多物理场耦合效应下的非定常动态统一模型；开展基础理论研究和试验工作，研究变工况条件下RCP-MS的瞬态工作机理、密封性能和动态特性，分析RCP-MS端面润滑液膜的稳定存在性，揭示其在非定常条件下的失效机理和原因；以有效提高瞬态过程机械密封可靠性和安全性为目的，探索润滑液膜稳定保持的控制技术和RCP-MS的动态设计方法。该研究对于补充密封理论与设计方法、完善传统的针对稳态过程的理论设计体系具有重要意义。

核主冷泵用高参数机械密封(RCP-MS)是保证核主冷泵长周期安全稳定运行的关键设备，其密封技术的关键在于如何在密封端面间保证并维持一层微米厚度的稳定润滑液膜的存在。探索高参数条件下机械密封液膜润滑稳定性保持技术是高参数机械密封研制开发过程中亟需解决的重要基础问题。密封工况条件改变、机械密封环热弹变形、润滑液膜的空化和流态改变等因素均影响润滑液膜的稳定存在性，其影响机理目前并不明晰，更重要的是缺乏行之有效的流—固—热—力多场耦合非定常动态统一模型成为开展深入研究的瓶颈。.项目以核主冷泵用流体静压型机械密封和流体动压型机械密封为研究对象，考虑机械密封密封环、密封环座、润滑液膜和密封腔内介质之间的热—力—变形间的多物理场耦合作用，建立了其多场耦合模型，结合有限单元法和有限差分法，采用循环迭代格式实现了数学模型的解耦求解。在此基础上，考虑控制方程的时间效应和密封环的动力学方程，采用欧拉法求解，实现了动态模型的数学求解。针对润滑液膜中的空化问题，考虑JFO空化边界条件，基于遵循质量守恒的Reynolds控制方程，分别给出了采用有限差分法和有限单元法的求解技术，实现了润滑液膜压力场和密度场的互补解算。.采用上述机械密封多场耦合动态统一模型，研究了机械密封工况条件(准静态、瞬态启停和环境温升等)对密封性能、动态特性和润滑液膜稳定性的影响，分析了机械密封环宏观结构、密封环表面微观织构和宏观沟槽几何参数对高参数工况下的密封性能和润滑液膜稳定存在的影响作用，验证了通过合理设计密封环结构和控制冲洗液温度实现调节和控制润滑液膜稳定性的技术可行性，探讨了密封环在高参数工况下变形规律及对润滑液膜存在性的影响，揭示了密封环端面径向收敛和周向波度的变形本质，试验研究了密封端面收敛锥度和端面圆孔型织构对润滑液膜稳定性和密封性能的影响规律，获得了能够提供较大承载力和液膜刚度，较小摩擦温升润滑液膜的密封环结构设计尺寸。.研究结果提供了高参数机械密封性能的预测模型，为核主冷泵用机械密封的设计奠定了理论基础，相关因素对机械密封性能的影响规律研究为机械密封性能的改善提供了技术参考，动态性能的研究结果为提高瞬态操作过程中的机械密封的安全性和可靠性运行提供了措施。研究结果弥补了RCP-MS分析方法和设计技术体系，完善了机械密封理论和设计方法。