近年来,随着技术进步,旋转设备的转速不断提高。油气两相润滑技术因效率高、润滑效果好、能耗小等优点,越来越多的应用于高速工况。但随之而来的油气两相润滑的密封问题成为制约其发展的技术瓶颈。为此,本文提出了功耗小、无油泄漏、寿命长的油气两相回流泵送密封(OG-BPS),用于油气两相润滑工况。并展开对密封的流体域流场、温度场、端面变形的模拟,以及密封稳态性能和结构优化的理论分析和试验研究。利用 ANSYS Workbench 软件中的 Steady-State Thermal、Static Structural和Fluent模块,在考虑密封端面热变形和压力变形的基础上,对油气两相回流泵送密封进行流-固耦合分析。得到密封的端面热变形、力变形以及端面间流体域流场的压力、速度和相态分布规律。密封端面变形超过微米级,采用流-固耦合计算的结果更加准确。密封产生了明显的动压效应,端面间槽区和堰区流体接近纯气相,坝区为油气两相状态,密封能够实现无油泄漏的效果。对比分析了油气两相回流泵送密封开启状态和未开启状态时的密封温度场和端面变形,得到不同操作参数下的密封端面温度变化规律。开启状态时,密封端面应力和变形随螺旋槽呈周期性变化。未开启状态时,端面接触状态为发散间隙,密封端面温度明显高于开启状态。基于微流场的模拟结果,探讨不同操作参数(如转速、压差、液气比和液滴颗粒大小)对油气两相回流泵送密封稳态性能的影响。得到密封稳态性能参数(如油气两相膜开启力、油气两相膜刚度、气相倒吸率、液相泄漏率和摩擦功耗)的变化规律。转速增加能使回流泵送作用增强,提高密封性能。当密封工况为负压差时,液气比对密封性能无显著影响。分析了不同结构参数(如螺旋槽、槽深、槽数、槽宽比和槽坝比)对密封稳态性能的影响,得到了密封稳态性能参数的变化规律。螺旋角α=16°～18°,槽数Ng=12～15个,槽宽比δ=0.55～0.6时密封的稳态性能最优。结合单参数的分析结果,对密封的结构进行综合分析,采用正交优化法得到密封的最优结构,可用于指导工程设计。设计制造油气两相回流泵送密封试验台,对密封进行试验研究。通过静压试验、变压差试验、变转速试验、变润滑条件试验和动态温度试验得到的试验结果与数值模拟结果间误差在10%以内。验证了密封的可行性以及在高速油气两相工况下运行的优越性。通过本文对油气两相回流泵送密封的性能研究,为油气两相密封的研究提供了设计方法和理论基础,为油气两相润滑技术的工程应用、推广和发展奠定基础。