火箭发动机涡轮泵机械密封的磨损机理及性能优化

摘要

机械密封是一种广泛应用于旋转机械的密封装置，具有结构稳定、低泄漏等优点。本文以液体火箭发动机涡轮泵机械密封为研究对象，针对高参数机械密封研制过程中的低磨损和高可靠性要求，进行了磨损机理及性能优化研究。主要内容如下： 首先，进行了涡轮泵机械密封的磨损机理分析并提出了性能优化方案。针对液体火箭发动机涡轮泵机械密封静环在N2O4环境试验中磨损异常的问题，分析了异常磨损的原因，提出了树脂腐蚀及孔隙气蚀两个假设模型，并通过静态腐蚀和动态磨损试验对模型进行了验证。试验结果证明了机械密封静环磨损量较大的诱因是气相N2O4在石墨表面孔隙内部破裂导致的气蚀，使得石墨表面变得松散，接触摩擦时易于产生大片脱落。 其次，为了减少静环磨损，进行了基于动、静压润滑的机械密封结构改进设计和参数优化。设计了动静压机械密封结构，基于流体力学控制方程，使用有限差分法，求解了机械密封的液膜压力分布；以开启力和泄漏量为评价指标，计算分析了不同槽形密封的性能，选定了动环组合槽形结构；采用流体仿真软件计算了组合槽形在不同转速下的液膜压力，转速越大，压力越大，验证了其具有良好的动压效应；使用密封性能软件计算分析了工况参数和结构参数对密封性能的影响，转速和压差越大，开启力越大；基于正交试验法设计了多目标槽形参数优化方案，选定了最优槽形参数，该槽形具有较大的开启力和较低的泄漏量，满足设计要求，并对动压槽进行了试加工。 最后，对涡轮泵机械密封静环的石墨材料进行性能改进研究，并设计了机械密封试验平台。从石墨的制备工艺出发，提出了增大浸渍压力改善石墨摩擦学性能的方案，并且通过试验进行了验证，结果表明浸渍压力越大，有利于提高机械密封的摩擦学性能；为了对优化后机械密封性能进行验证，使用模块化设计方法，设计了机械密封试验平台，将试验台划分为驱动模块、支撑模块、试验腔模块等5个模块，针对机械密封使用特点和测试需求，确定了端面温度、介质压力、转速、泄漏量和液膜厚度等参数的测试方案。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1论文研究课题来源

1.2论文研究的目的及意义

1.3国内外研究现状及发展趋势

1.3.1机械密封应用背景的研究方面

1.3.2机械密封的设计与性能计算方面

1.3.3机械密封的试验与测试技术方面

1.4本文研究内容与技术路线

2 涡轮泵机械密封的磨损机理及性能改进方案

2.1机械密封磨损件分析及假设模型

2.1.1机械密封结构及工况分析

2.1.2静环石墨磨损件表面的微观检测

2.1.3静环石墨磨损成因的假设模型

2.2机械密封磨损的验证试验

2.2.1磨损验证试验的设计

2.2.2材料制备及试验仪器

2.3机械密封磨损试验结果及分析

2.3.1静态腐蚀试验结果及分析

2.3.2动态磨损试验结果及分析

2.4机械密封性能优化方案

2.4.1机械密封结构的优化方案

2.4.2静环石墨材料的优化方案

2.5本章小结

3 涡轮泵机械密封的结构改进设计

3.1机械密封的基本理论及总体结构设计

3.1.1机械密封的流体静、动压润滑理论

3.1.2机械密封的结构设计及性能评价指标

3.1.3机械密封静压部分的结构设计

3.2机械密封端面液膜压力计算

3.2.1机械密封动压槽的槽形结构分析

3.2.2液膜厚度模型及流体力学控制方程

3.2.3动压槽液膜压力分布

3.3不同槽形性能分析及槽形选定

3.3.1不同槽形的性能分析

3.3.2动压槽的槽形选定

3.4本章小结

4 涡轮泵机械密封稳态性能仿真及参数优化

4.1组合槽形的液膜压力仿真

4.1.1模型建立及网格划分

4.1.2 Fluent仿真求解步骤

4.1.3组合槽形液膜压力分布及分析

4.2单一参数对机械密封性能的影响

4.2.1机械密封性能计算软件

4.2.2工况参数对密封性能的影响

4.2.3结构参数对密封性能的影响

4.3基于正交试验的设计参数多目标优化

4.3.1试验因素及水平的确定

4.3.2方案的确定及计算结果

4.3.3结果分析及结构参数优化

4.3.4机械密封动环端面的槽形加工

4.4本章小结

5 涡轮泵机械密封静环石墨材料改进及试验平台设计

5.1静环石墨材料的改进研究

5.1.1静环石墨材料的制备工艺分析

5.1.2静环石墨试样制备及摩擦学试验设计

5.1.3摩擦学试验结果及分析

5.2机械密封性能测试试验台设计

5.2.1机械密封试验台的模块化设计

5.2.2机械密封试验台各模块设计方案

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果