动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究

doi:10.3901/JME.2021.09.108

机械工程学报 ›› 2021, Vol. 57 ›› Issue (9): 108-117.doi: 10.3901/JME.2021.09.108

扫码分享

动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究

王建磊¹, 门川皓¹, 赵伟刚^2,3, 贾谦^4,5, 崔亚辉¹, 张琛¹, 袁小阳⁵

1. 西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安 710048;
2. 西北工业大学航天学院西安 710072;
3. 中国航天科技集团公司西安航天动力研究所西安 710100;
4. 西安交通大学城市学院机械工程系西安 710018;
5. 西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安 710049

收稿日期:2020-05-15 修回日期:2021-02-05 出版日期:2021-05-05 发布日期:2021-06-15
通讯作者: 贾谦(通信作者)，男，1981年出生，博士，讲师。主要研究方向为高端装备机械密封结构设计、转子系统动力学、现代机械设计。E-mail：qianjia@xjtu.edu.cn
作者简介:王建磊，男，1978年出生，博士，讲师。主要研究方向为高端装备机械密封结构设计、转子系统动力学、现代机械设计。E-mail：jlwang@xaut.edu.Cn
基金资助:
国家自然科学基金（11872289）和国家重点研究计划（2018YFB2000505）资助项目。

Research on Structural Design and End Face Slot of Optimization of Hydrodynamic and Hydrostatic Mechanical Seal

WANG Jianlei¹, MEN Chuanhao¹, ZHAO Weigang^2,3, JIA Qian^4,5, CUI Yahui¹, ZHANG Chen¹, YUAN Xiaoyang⁵

1. School of Machinery and Precision Instrument Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048;
2. School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072;
3. Xi'an Aerospace Propulsion Institute, China Aerospace Science and Technology Corporation(CASC), Xi'an 710100;
4. Department of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University City College, Xi'an 710018;
5. Key Laboratory of Modern Design and Rotor Bearing System, Ministry of education, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049

Received:2020-05-15 Revised:2021-02-05 Online:2021-05-05 Published:2021-06-15

摘要/Abstract

摘要： 针对液体火箭发动机机械密封的二次利用问题，为避免碰磨进行了动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究。采用动压和静压联合工作的原理，设计了动静压机械密封结构，并对静环节流孔及动环动压槽进行了重点设计；基于流体力学方程求解了静环的开启力及泄漏量，通过课题组已有机械密封计算软件计算了动环的开启力及泄漏量等指标；针对外螺旋槽内人字槽的组合槽型，采用正交试验的方法对槽型进行了优化，选定了最优槽型方案，该槽型优化方案的开启力为8.2 kN，泄漏量为0.66 mL/s，在保证泄漏量的前提下可以获得更大的开启力。研究结果表明，采用动静压形式的机械密封在工作中可有效减少磨损，保证泄漏量较小，满足二次利用的要求。该研究成果也可为其他高速旋转机械的机械密封结构优化提供参考。

关键词: 火箭发动机, 涡轮泵, 动静压机械密封, 槽型, 正交试验

Abstract: Aiming at the secondary utilization of mechanical seals for liquid rocket engines, this paper studied the structural design of the dynamic and static pressure mechanical seals and the optimization of the end grooves in order to avoid collision. Based on the principle of combined dynamic and static pressure, a dynamic and static pressure mechanical seal structure is designed, and the flow orifices in the static link and the dynamic pressure grooves in the dynamic ring are designed. The opening force and leakage of the static ring are solved based on the hydrodynamic equation. Based on the existing mechanical seal calculation software of the research group, the indicators such as the opening force and leakage of the moving ring were calculated. For the combined groove shape of the herringbone groove in the outer spiral groove, the geometry was optimized by orthogonal test. An optimal groove plan is determined. The trough optimization scheme has an opening force of 8.2 kN and a leakage volume of 0.66 mL / s. A larger opening force can be obtained on the premise of ensuring the leakage volume. The research results show that the mechanical seal in the form of dynamic and static pressure can effectively reduce wear during work, ensure a small leakage, and meet the requirements of secondary use. The research results can also provide a reference for the optimization of the mechanical seal structure of other high-speed rotating machinery.

Key words: rocket engine, turbopump, hydrodynamic mechanical seal, geometry, orthogonal experiment

中图分类号:

TB42

王建磊, 门川皓, 赵伟刚, 贾谦, 崔亚辉, 张琛, 袁小阳. 动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(9): 108-117.

WANG Jianlei, MEN Chuanhao, ZHAO Weigang, JIA Qian, CUI Yahui, ZHANG Chen, YUAN Xiaoyang. Research on Structural Design and End Face Slot of Optimization of Hydrodynamic and Hydrostatic Mechanical Seal[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(9): 108-117.

参考文献

[1] ZHANG Guoyuan，CHEN Guozhong，ZHAO Weigang. An experimental test on a cryogenic high-speed hydrodynamic non-contact mechanical seal[J]. Tribology Letters，2017，65(3)：80.
[2] 张树强，王良，赵伟刚. 液体火箭发动机涡轮泵用机械密封温度场及热载变形研究[J]. 火箭推进，2014，40(5)：92-98. ZHANG Shuqiang，WANG Liang，ZHAO Weigang. Research on temperature field and heat deformation of mechanical seal in liquid rocket engine turbo pump[J]. Journal of Rocket Propulsion，2014，40(5)：92-98.
[3] 王建磊. 含密封高速轴系的结构、力系和振动特性研究[D]. 西安：西安交通大学，2014. WANG Jianlei. Research on structure，force system and vibration characteristic of high-speed shafting system with seal[D]. Xi’an：Xi’an Jiaotong University，2014.
[4] 李斌，张小平，高玉闪. 我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考[J]. 火箭推进，2017，43(1)：1-7. LI Bin，ZHAMG Xiaoping，GAO Yushan. Consideration on development of reusable liquid rocket engine in China[J]. Journal of Rocket Propulsion，2017，43(1)：1-7.
[5] 张琛. 火箭发动机涡轮泵机械密封的磨损机理及性能优化[D]. 西安：西安理工大学，2019. ZHANG Chen. Wear mechanism and performance optimization of mechanical seal of rochet engine turbo pump[D]. Xi’an：Xi’an University of Technology，2019.
[6] 吉华，王彦镐，战琳月，等. 等边三角形微孔端面机械密封多楔现象对性能的影响[J]. 工程科学与技术，2019，51(2)：168-175. JI Hua，WANG Yanhao，ZHAN linyue，et al. Effect of multi-wedge on sealing performance in mechanical seal with equilateral triangular dimples[J]. Advanced Engineering Sciences，2019，51(2)：168-175.
[7] 张国渊，赵伟刚，陈垚，等. 非接触动静结合型机械密封的主动可控性及其脱开机理[J]. 航空动力学报，2014，29(10)：2515-2522. ZHANG Guoyuan，ZHAO Weigang，CHEN Yao，et al. Active controllability and separation mechanics of non-contact hydrostatic mechanical seal[J]. Journal of Aerospace Power，2014，29(10)：2515-2522.
[8] 王技德，张国渊. 非接触机械密封的非线性动特性系数及瞬态振动响应分析[J]. 中国机械工程，2012，23(6)：642-646. WANG Jide，ZHANG Guoyuan. Study on nonlinear dynamic coefficients and transient vibration response for a non-contact mechanical seal[J]. China Mechanical Engineering，2012，23(6)：642-646.
[9] FELDMAN Y，KLIGERMAN Y，ETSION I. A hydrostatic laser surface textured gas seal[J]. Tribology Letters，2006，22(1)：21-28.
[10] 陈鹏飞，尚冬琴，周立新. 静环振动对涡轮泵端面密封失效的影响[J]. 推进技术，2019，40(5)：1129-1135. CHEN Pengfei，SHANG Dongqin，ZHOU Lixin. Effects of stationary seal ring vibration on end-face sealing failure in turbo pump[J]. Journal of Propulsion Technology，2019，40(5)：1129-1135.
[11] WANG Jianlei，QIAN Jia，XIAO Yangyuan，et al. Experimental study on friction and wear behavior of amorphous carbon coatings for mechanical seals in cryogenic environment[J]. Applied Surface Science，2012，258(24)：9531-9535.
[12] JIA Qian，YUAN Xiaoyang，ZHANG Guoyuan，et al. Dry friction and wear characteristics of impregnated graphite in a corrosive environment[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2014，27(5)：965-971.
[13] 王建磊，张琛，王晓虎，等. N₂O₄环境下液体火箭发动机涡轮泵机械密封浸渍石墨的磨损机理研究[J]. 机械工程学报，2019，55(7)：119-127. WANG Jianlei，ZHANG Chen，WANG Xiaohu，et al. Wear mechanism of liquid rocket engine turbopump mechanical seal graphite surface in the n₂o₄ environment[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(7)：119-127.
[14] 王建磊，贾谦，张国渊，等. 快变升速过程的端面密封性能试验研究[J]. 润滑与密封，2013，38(8)：28-31. WANG Jianlei，JIA Qian，ZHANG Guoyuan，et al. Experimental approach for the characteristics of low-temperature high-speed mechanical seals[J]. Lubrication Engineering，2013，38(8)：28-31.
[15] 蔡国飙，李家文，田爱梅. 液体火箭发动机设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011. CAI Guobiao，LI Jiawen，TIAN Aimei. Design of liquid rocket engine[D]. Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2011.
[16] GENG Tao，MENG Qingfeng，WANG Nan，et al. Experimental investigation of film pressure distribution in water-lubricated rubber journal bearings[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2014，228(4)：397-406.
[17] 张树强. 液体火箭发动机涡轮泵用非接触式密封研究现状及展望[C]//中国航天第三专业信息网第三十七届技术交流会暨第一届空天动力联合会议论文集. 北京：中国学术期刊电子出版社，2016：151-158. ZHANG Shuqiang. Research status and prospect of non-contact seals for liquid rocket engine turbine pumps[C]//The 37th Technical Seminar of the Third Professional Information Network of China Aerospace and the First Conference of Aerospace Propulsion Essays. Beijing：China Academic Journal Electronic Publishing House，2016：151-158.

动静压机械密封的结构设计及端面槽型优化研究

Research on Structural Design and End Face Slot of Optimization of Hydrodynamic and Hydrostatic Mechanical Seal

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	陈巍巍, 石文泽, 卢超, 程进杰, 陈尧, 陈果. 高温锻件在线快速检测螺旋线圈EMAT优化设计[J]. 机械工程学报, 2022, 58(10): 12-23.
[2]	崔颖, 于颖嘉, 王永亮, 赵爽, 钟兢军. 一种梁式管接头密封性能与结构参数敏感性分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(3): 147-155.
[3]	刘宗超, 吴林辉, 陈贡发. 几何参数对主动脉支架生物力学性能的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 57(11): 112-119.
[4]	宫岛, 刘广宇, 周劲松, 孙煜, 尤泰文. 动车组车体异常振动问题分析及治理研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(10): 95-105,117.
[5]	王建磊, 张琛, 王晓虎, 王栋平, 李建克, 贾谦, 陈润霖, 崔亚辉. N₂O₄环境下液体火箭发动机涡轮泵机械密封浸渍石墨的磨损机理研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(7): 119-127.
[6]	刘可心, 王蕾, 刘佳磊, 金松哲. Ti₂AlN薄膜的制备及性能表征[J]. 机械工程学报, 2019, 55(16): 77-84.
[7]	钱小辉, 马骁妍, 秦中华, 侯少静, 徐美杭, 张鹏, 朱自安. 基于正交试验的玻璃壳热应力影响因素分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(12): 91-98.
[8]	刘洪鹏, 严儒井, 王玉忠, 王擎. 几何特性对风力机翼型粗糙度敏感性的影响[J]. 机械工程学报, 2018, 54(14): 198-206.
[9]	徐文涛, 廖敬波, 张泽通, 陈永杰, 唐光武. 基于参数识别的桥梁冲击系数随机响应优化方法[J]. 机械工程学报, 2018, 54(12): 64-70.
[10]	李晓东, 韩硕, 王存宇, 常颖, 胡平, 董瀚. 第三代汽车钢温热成形工艺研究及性能评价[J]. 机械工程学报, 2017, 53(8): 35-42.
[11]	向青春, 张伟, 邱克强, 孙治国, 孙爱新, 杨桂星. 基于DOE的大型下架体铸钢件铸造工艺优化研究^*[J]. 机械工程学报, 2017, 53(6): 88-93.
[12]	陈波, 高殿荣, 杨超, 毋少峰, 张光通. 大功率远程射雾器结构参数多目标智能协同优化^*[J]. 机械工程学报, 2017, 53(6): 166-175.
[13]	丁智平, 黄达勇, 荣继刚, 黄友剑, 曾家兴. 注塑成型短玻纤增强复合材料各向异性弹性常数预测方法[J]. 机械工程学报, 2017, 53(24): 126-134.
[14]	应锐, 喻俊志, 王卫兵, 张亭, 冯静安, 杜晟. 细颗粒分级复合型水力旋流器结构及工艺参数的优化研究^*[J]. 机械工程学报, 2017, 53(2): 124-134.
[15]	曹丽华, 林阿强, 张岩, 林文斌, 李勇. 基于二次回归正交试验的排汽缸导流环优化设计^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(14): 157-164.