机械密封是液体火箭发动机涡轮泵轴端密封的主要形式。由于低温液体燃料易汽化的特性，在密封端面间极易发生相变现象。同时，密封环内外侧需要承受较大的温差，温差导致的密封端面变形，使密封端面液膜流体润滑工况更加复杂，影响密封运转的稳定性。

一、发展背景

机械密封常应用在流体旋转机械中，用于防止高压密封介质沿轴向的泄露。机械密封拥有结构可靠，运行稳定，密封效果好等优点，在运载火箭发动机、核主泵、压缩机等特种设备中均有应用。机械密封的工作性能，对设备的安全运转至关重要。

随着国内外深空探索技术的快速进步，对火箭的各项性能指标都有了更高的要求，大推力、可重复使用的液体火箭发动机成为国内外运载火箭研发的重点。其主要结构包括燃烧室、推进剂涡轮泵、排气系统和控制系统。

目前，接触式机械密封已经在火箭发动涡轮泵上有了较为成熟的立用，但是其在高速、高压、低润滑环境下，易磨损失效，是制约火箭发动机重复利用的主要因素。非接触式机械密封，具有结构可靠、泄漏量低、适用范围广、寿命长等优点，是火箭发动机涡轮泵机械密封的一个重要发展方向。

涡轮泵机械密封是否能够安全稳定的运行关系着整个火箭系统的运行安全，氢氧燃料火箭发动机相较于普通火箭发动机，其涡轮泵轴端机械密封需要在低温、高速、低粘润滑等极端工况下稳定运行，这对涡轮泵机械密封的密封性能提出了更高的挑战。

在低温工况下，涡轮泵机械密封整体结构需要承受极大的温差，密封端面内外侧温差最高可达 170.200°C。同时由于低温密封介质易汽化的特性，在机械密封工作过程中不可避免的会产生两相现象，低温两相介质的引入会改变密封端面液膜物性参数，破坏润滑液膜的稳定性，进而可能使密封端面发生磨损失效，导致严重事故。

这就要求我们在密封设计初期进行精准化设计，在进行精准化设计过程中需要将两相、温度、密封端面变形等因素考虑在内。

二、涡轮泵机械密封性能

机械密封根据所使用工况环境不同，分为接触式机械密封和非接触式机械密封。接触式机械密封主要依靠施加在密封环上的轴向作用力来保持密封端面的贴合状态，以保持良好的密封性能。

但是由于在运行过程中产生的摩擦热量较大，密封副的摩擦磨损严重，会使密封端面因摩擦磨损过大而失效，加剧密封端面的泄漏率，从而不利于密封系统的安全可靠运行。非接触式机械密封端面之间的摩擦磨损极小甚至不存在摩擦磨损，因此其使用寿命较长、密封性能可靠。

此种密封在动环和静环之间形成一层微米级的流体薄膜，这层薄膜将两端面分开，使得密封的动环和静环在旋转时保持非接触状态。这层流体动压液膜的存在使得机械密封端面避免了干磨损，降低了机械密封的摩擦磨损，提高了密封系统的抗干扰能力和使用寿命。

在这些结构中动环和静环是机械密封防止泄漏的核心部件，其中静环被固定在静环座上，后端连接弹性元件，弹性元件通常为弹簧，波纹管等，其作用是对静环轴向位移进行补偿，使动静环端面保持紧密接触，防止泄漏。动环固定在旋转轴上随轴一同转动。

由于摩擦副的特殊性，机械密封动环材料需要具备高硬度，耐磨性好等特点，静环材料需要拥有质地较软、润滑特性好等优点。碳石墨材料因其具有摩擦系数低、耐热耐腐蚀性能好、导热系数大、线膨胀系数低以及自润滑性能好等优点，通常被用作静环材料。

动环材料则一般选用，高硬度，高刚性，耐磨耐高温的镍铬合金或碳化硅材料。在动环表面一般会使用激光打标机加工一系列不同形状的动压沟槽，其中类螺旋槽型包括螺旋槽、圆弧槽、人字槽等。目前使用最广泛且整体密封性能最优的沟槽形状就是典型的螺旋槽结构，根据开槽位置的不同分为内径开槽、中间开槽和外径开槽。

在机械密封运转过程中，密封动环随轴转动，动环端面上加工的动压槽将密封介质泵送到密封端面间隙，增加端面间的流体动压效应。由于动环旋转产生的流体动压效应以及沟槽的台阶效应使得螺旋槽的槽根附近产生系列高压区。

当压力大于等于弹性元件提供的闭合力时动静环分离，动静环之间形成微米级流体刚性浦膜，这层流体薄膜不但可以保证密封动静环处于非接触状态，而且也对密封副起到一定的润滑和降温作用，这对有效控制密封泄漏是十分有利的。

流体动压密封运转工况环境复杂多样，如何快速准确预测其密封性能，并根据计算结果对其结构参数进行调整，是密封设计中至关重要的环节。

三、气液两相的概述

气液两相广泛存在于许多工业和科学领域中，如化工、环保、海洋工程、石油开采以及航空航天等。同时，由于气液两相之间存在着复杂的相互作用，其研究和分析也是流体力学、传热学等。气液两相是指由气体和液体两种不同的物态组成的混合物。

在气液两相中，气体和液体之间存在明显的界面，这个界面可以是平面的、球形的或者是其他形状的。气液两相流与单相流不同，气液两相流的流动物质是多相混合物，其中包含气相和液相两种不同的物质。在流动过程中，它们以不同的形式存在，由于相互作用和相互影响，气液两相流的流场往往非常复杂，包括不均匀性、非线性、非稳定性、湍流等。

非接触式机械密封在动环端面加工有流体动压槽，密封介质通过动压槽的泵送效应加速进入密封端面间隙，由于流体流速升高，使端面润滑液膜在槽区附近产生空化效应，空化区域为汽化后的密封介质形成的气穴，在计算时密封介质已经不是单纯的液相流体，而是气液混相的两相密封介质。

空化效应会导致两相密封介质中气相和液相比例不断发生变化，因此需要选取合适气液两相流模型对液膜计算域进行流场分析。

(1) Volume of Fluid 模型(VOF 模型)

在 VOF 模型中，计算区域被划分为网格，每个网格中都存在一定数量的流体(或气体)和另一种物质(例如固体或液滴)。VOF 模型通过跟踪流体和另一种物质之间的界面位置，以及计算流体和另一种物质在不同的网格单元中的体积分数，来模拟两种物质之间的相互作用。

VOF 模型的基本假设是，每个网格单元中流体和另一种物质之间的交界面可以被看作是一个无厚度的曲面。这个界面上的每个点都有一个体积分数，表示该点处流体的体积占总体积的比例。通过计算每个网格单元中流体和另一种物质的体积分数，可以确定每个单元中的相对分布。其中第 x 相流体所占的体积分数程为:

myx-由y至x的质量传递:

mxy-由x至y的质量传递

假设24a = 1则当系统中只有两相时，每个计算单元密度为:

假设各个相的速度场都相同，但是，当各个流体相之间存在着较大的速度差时，靠近各相交界面上的速度精确程度将会受到一定的影响。各相的能量方程为:

各相的 p 和 kef 相同，Sh为源项，包含热辐射和其他的体积热源。当各流体的相间温度相差较大时，靠近交界面上的温度计算精度将会受到一定影响。VOF 模型的优点包括可以精确地跟踪两个相之间的交界面、能够模拟流体和固体之间的交互作用、适用于多相流问题等。但是，该模型也存在一些缺点，例如对于交界面的数值稳定性要求较高、计算耗时较长等。

四、涡轮泵机械温度变化

液体火箭发动机涡轮泵机械密封由于需要保证低温密封介质不发生泄露，须长时间保证稳定运行，由于涡轮泵内部工况环境复杂，涡轮泵机械密封内外侧须承受 200-500C的温差，在大温差条件下密封环端面形状将会发生改变，进而影响密封间隙间流场的分布。

热传导、对换传热、热辐射是热力学传热过程最主要的三种方式，在涡轮泵机械密封工作过程中低温液氧与动环和静环外侧表面接触，与密封端面进行对流换热，并且低温冷量会通过密封端面传递到整个密封环结构。同时动环和静环内侧与空气或高温燃气接触，进行对流换热。

热传导是指温度差异引起的热能从高温区域向低温区域通过物质分子的传递。在固体、液体和气体中都存在热传导，但它们的传热方式略有不同。在固体中，热量主要通过晶格振动传递;在液体中，热量通过分子扩散和流动传递;在气体中，则主要通过分子间的碰撞传递。

对流传热是指介质中的冷热两端产生温差，从而引发流体运动，通过流体的对流来传递热量。

结 语：

由低温工况引起的密封介质两相现象和涡轮泵机械密封端面变形问题。建立了基于试验实测的机械密封两相润滑计算模型，计算分析了两相工况下的密封性能的变化情况。通过有限元仿真对低温工况下的密封端面变形进行计算，分析了密封环端面变形对密封性能参数的影响，并进一步提出了带有磁力辅助的机械密封结构。

参 考 文 献

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