液氧涡轮泵机械密封性能分析及试验研究

作     者：雷龙生 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔亚辉;王建磊;李建克

授予年度：2024年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：火箭涡轮泵 机械密封 介质相变 端面变形 性能仿真 

摘      要：随着航天技术的飞速发展,火箭发动机对密封技术的要求日益严苛。密封系统需要在低温、高压和高速等极端条件下保持高效、稳定的密封性能。因此,本研究聚焦于液氧涡轮泵机械密封,旨在通过系统模型构建、仿真分析和试验测试,探讨其润滑特性和密封性能,并致力于揭示液氧涡轮泵机械密封在高速、低温和低粘等工况下可能出现的相变和变形等现象,为我国火箭发动机密封技术的进一步发展和应用提供理论基础。主要研究工作如下: 首先,为全面评估液氧涡轮泵机械密封在复杂工况下的密封性能,在综合考虑了流体域、固体域和温度场的基础上,建立了液氧涡轮泵机械密封的流固热耦合分析模型,并设计了流固热耦合分析方法,同时验证了模型的可靠性和正确性。 其次,利用Fluent模块开展流体仿真计算,对压力分布、相变分布和密封性能随工况(转速、进口压力和介质温度)的变化规律进行了明确表征。结果表明:除介质温度的增加导致泄漏量减小之外,其余工况参数的增加均导致开启力和泄漏量增大。 此外,将Fluent模块计算出的压力结果和ANSYS Workbench中稳态热模块计算出的温度结果同时加载在密封端面,并在静力学模块中计算了由压力和温度共同导致的密封端面温度、应力、应变及变形分布,同时对变形前后的膜厚和泄漏量进行对比分析。根据研究发现变形后的工作最小膜厚始终比未变形的平行工作膜厚小且变形后的泄漏量较未考虑变形时更高。 最后,针对液氧涡轮泵机械密封的相变和变形情况,设计并搭建了机械密封低温介质运转试验装置,旨在模拟并测试在极端低温和高速旋转等条件下机械密封的脱开规律。试验过程中得到了密封从启动到正常运行的实时转速、温度和摩擦力矩,并对试验值和仿真值进行对比分析。试验结果分析可得仿真模型和方法均具有较高的准确性,且试验中密封脱开后形成的液膜不仅有助于热量的散发,还能够有效减小密封件之间的摩擦,从而提高机械密封的效率和稳定性。 本研究针对液氧涡轮泵机械密封分析了不同工况对相变和变形的影响,进而揭示了密封性能的变化规律。所得的研究结果对于理解液氧涡轮泵机械密封的工作机制、提高密封性能具有重要意义。