低温高速动静结合型机械密封多场耦合模型及振动特性研究

Based on the thermal fluid dynamic lubrication theory, the mechanical dynamics, and the thermo-elastic deformation theory, the theoretical and experimental approaches studing the characteristics of the hydrodynamic mechanical seal for the cryogenic liquid oxygen and liquid hydrogen high-speed turbopumps in the liquid rocket engine are developed. The characteristics are obtained by analyzing and solving numerically the seal components' thermo-elastic deformation, the thermo-elastic-hydrodynamic- mechanical multi-field coupling model and the high-speed axial vibration characteristics of the seal-rotor system; the interrelationships of three parts and influences of the coupling parameters are also studied. The study mainly involves: 1) The thermo-elastic-hydrodynamic-mechanical multi-field coupling model for the low-temperature high-speed hydrodynamic mechanical seal is presented. With the model, the deformation and seal gap characteristics in the low-temperature environment are performed, and the research results may help to investigate the multi-field coupling effect and cryogenic seal mechanism. 2) The mechanism of forming the non-contact mechanical seal in the transient start-up process is conducted; and the axial vibration characteristic for the turbopump rotor system with the mechanical seal is carried out. The results are useful to researchers attempting to gain more understanding of the axial vibration generation and propagation. 3) The experiment is implemented for verifying the coupling model and obtaining the vibration data. This study will provide the theoretical and experimental basis for the design and application of the long life, high-reliability, high-stability, high-speed hydrodynamic mechanical seal used in the cryogenic turbopump.

以液体火箭发动机低温液氧、液氢高速涡轮泵用机械密封为研究对象，结合已有研究基础，以热流体动力润滑理论、机械动力学、热弹变形理论为理论基础，通过数值仿真计算和试验等研究手段，从密封组件热弹变形分析、流固热力多场耦合机械密封润滑计算、高速密封轴向振动特性计算以及三者之间的相互影响和参数耦合关系等方面开展低温高速动静结合型机械密封研究。具体内容包括：建立低温高速动静结合型机械密封的热流固力耦合模型，分析低温环境下静压补偿和动压效应对密封变形、密封间隙特性的影响，揭示低温高速工况下动静结合型机械密封热、流、固、力耦合效应及密封机理；探讨瞬态启动阶段非接触密封形成机理，分析高速稳定运行阶段非接触液体膜密封涡轮泵转子的振动特性，以揭示密封轴振的产生及传播机理；最后，通过试验验证模型和计算结果的正确性。研究将为长寿命、高可靠性、高稳定性的高速涡轮泵用新型动静结合型机械密封的设计及应用提供理论和试验基础。

针对液体火箭发动机低温液氧、液氢高速涡轮泵用轴端非接触式机械密封的性能分析和设计问题，以热流体动力润滑理论、机械动力学、热弹变形理论为理论基础，通过数值仿真计算和试验等研究手段，完成了对此类密封及其构成的组件系统的流-固-热-力多场耦合模型、高速密封轴向振动模型以及密封泵转子系统动力模型的构建，数值求解得到了三者之间的相互影响规律和参数耦合关系特征，并开展了系列低粘度模拟水介质和低温高速动静结合型机械密封的实验研究。.研究的主要内容包括：建立了低温高速动静结合型机械密封的热流固力耦合模型；得到了低温环境下静压补偿和动压效应对密封变形、密封间隙特性的影响；完善了瞬态启动阶段非接触密封形成机理；分析了高速稳定运行阶段非接触液体膜密封涡轮泵转子的振动特性；最后，通过试验验证了提出模型和计算结果的正确性。.完成这些研究内容，取得重要进展包括：1）建立了流、固、热、力耦合的动静结合性机械密封求解模型，完成相应软件的编制；为高速涡轮泵用轴端机械密封的性能分析、设计提供理论依据。2）发展了基于摩擦学和动力学耦合的机械密封瞬态启动过程从接触转变到非接触的脱开模型，完善了以脱开转速为特征表征量的转变机理表达方式；并以此为基础，提出了动静结合型机械密封主动可控方法。3）建立了考虑轴端动静结合型机械密封的低温高速涡轮泵转子系统的轴振特性和稳定性分析方法，揭示了该振动产生和传播的机理。4）建立了更为先进的机械密封试验方法，理论和试验对比研究了密封的性能规律，为研制高性能、高可靠性的高速涡轮泵轴端机械密封积累了深厚的理论和试验储备。.研究将为长寿命、高可靠性、高稳定性的高速涡轮泵用新型动静结合型机械密封的设计及应用提供理论和试验基础。研究发表SCI收录论文5篇，EI收录论文3篇，申请发明专利2项，博士后1名出站，博士2名在读。