高速低温气液混合润滑动静结合型机械密封机理及动力行为研究

In view of the problems of the liquid-vapor mixture lubrication and the slight flutter in the high-speed cryogenic hydrodynamic mechanical seal of the high-speed turbopump for the liquid rocket engine, revealed by a series of previous experimental studies, a study is carried out on the liquid-vapor (cryogenic LOX, LH2 and using liquid nitrogen as simulation lubricant) mixture lubrication model, the integration of the thermo-elastic-hydrodynamic-mechanical multi-field coupling seal model and the mixture lubrication model, the seal dynamics under the mixture lubrication conditions and the high-speed cryogenic experimental test. The method for integrating the liquid-vapor mixture lubrication model into the seal model is developed, and the integrated model is built to discover the mechanics of the hydrodynamic mechanical seal under the working-condition with compressible fluid. The method for solving the dynamic characteristics coefficients of the seal is proposed and the dynamics model of the turbopump seal-rotor system is advanced. Therefrom, the dynamics behavior induced by liquid-vapor mixture fluid and its evolving features are obtained. The experiments using liquid nitrogen and working lubricants are implemented to verify the mixture lubrication model and the multi-field coupling seal model; the vibration data of the seal-rotor system under the high-speed stable-running stage are gathered, and the seal’s flutter mechanism is revealed with the comparison of the theoretical and experimental data. This study will provide the theoretical and experimental basis for the design and application of the long-life, high-reliability, high-stability hydrodynamic mechanical seal used in the cryogenic high-speed turbopump.

以液体火箭发动机高速涡轮泵轴端机械密封为背景，针对前期在试验过程中发现的此类高速低温动静结合型机械密封在运行中存在的两相润滑问题和微幅颤振问题，开展低温液氧/液氢（以液氮为模拟介质）被密封介质在高速运转过程的气液两相润滑模型、混合介质润滑下的密封热流固力多场耦合模型、混合介质下密封动力学特性及低温高速运转试验研究。提出低温气液混合模型及其在密封模型中的应用方法，揭示存在可压缩流体特殊工况下的密封机理；发展混合介质下密封的动力学系数求解方法，并构建高速密封转子动力学模型，以其获取气液混合流体激励诱发的动力行为及系统动力学特征演变规律；开展高速低温工况的模拟和运转试验，验证气液混合润滑密封多场耦合模型的正确性，同时测试高速阶段存在气液混合润滑下密封的振动特性，理论和试验对比揭示密封的颤振机制。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。

.液体火箭发动机高速涡轮泵工作在特殊工况环境，如工作介质粘度极低(液氧、液氢)、高速、重载、低温环境、严格的体积和重量限制等；密封摩擦和磨损严重时可能引起燃烧导致毁机事故。为此，针对前期在试验过程中发现的此类高速低温动静结合型机械密封在运行中存在的两相润滑问题和微幅颤振问题，开展了低温（以液氮为模拟介质）被密封介质在高速运转过程的气液两相润滑模型、混合介质润滑下的密封热流固力多场耦合模型、混合介质下密封动力学特性及低温高速运转试验研究。研究中提出了低温气液混合模型及其在密封模型中的应用方法，揭示了存在可压缩流体特殊工况下的密封机理；发展了混合介质下密封的动力学系数求解方法，并构建了高速密封转子动力学模型，以其获取了气液混合流体激励诱发的动力行为及系统动力学特征演变规律；开展了高速低温工况的模拟和运转试验，验证了气液混合润滑密封多场耦合模型的正确性。基于考虑密封副固体、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，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。结果表明密封在起动阶段和高速稳定运行阶段均出现明显的两相流现象，相变引起的温度和摩擦力的振荡可归结为一类流体密封的自激振动现象。当存在两相流状态时，密封端面温升和摩擦力存在明显的低频振荡，温度振荡可达30 ℃；不考虑汽化的理论计算结果与试验结果在升速时误差可达到50%以上。为提升试验测试技术，提出了同质气液混合介质质量流量及粘度的测试方法，并发展了基于ERT的同质气液混合两相流流量测试系统；为获取介质相变对密封性能的影响，提出了一种电磁动态加载装置和一种基于改变闭合力的可控型机械密封。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；这对于提高国家核心竞争力和应对国家安全的国防装备性能极端化具有重要意义。