螺旋槽液膜密封作为旋转动设备的关键基础零部件,其密封性能直接关系着配套设备的运行状态。随着设备运行工况朝高温、高速、低温、高粘及多相介质等方向发展,以及国家法律、法规对安全环保的大力倡导,对液膜密封的稳定性及可靠性提出更加苛刻的要求。螺旋槽液膜密封因工作原理及运行工况特点,密封面间微米级厚的润滑薄膜会发生局部区域破裂而形成空穴。液膜中空穴的扩大,改变了密封面间的润滑状态,势必会影响密封性能,不容忽视。鉴于此,本文以螺旋槽液膜密封为对象,采用实验和理论研究方法对液膜密封空化诱发机理及液膜空化对密封性能影响进行研究,确定不同空化边界模型的适用性;基于上述研究,提出可抑制液膜中空穴发生的槽型结构并对其进行优化设计;具体工作及结论如下所述。基于螺旋槽液膜密封空化可视化实验观察和数据采集,分析了变工况时不同螺旋槽功能和结构参数对液膜中空穴分布、演变及空穴边界等影响规律,获得了相应结构参数时的空穴边界与工况参数的经验模型公式。实验研究表明,不同沟槽位置、不同功能的螺旋槽液膜密封的空穴特征存在明显差异,主要受中槽型螺旋槽液膜密封内坝区以及压差流和剪切流作用方式的影响;油压的增加和转速的提高对空穴区演变分别具有抑制和促进作用,但油压对内槽型和中槽型液膜密封中空穴区演变具有差异性,尤其是对前者影响更为明显。不同螺旋槽结构参数如槽深或槽数的增加以及槽角的减小均有助于降低不同螺旋槽功能液膜密封的空穴发生面积,但影响机理不尽相同。建立考虑微观表面形貌的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换为规则扇形域;定义空穴区等效密度及介质粘度,引入两个变量即空化数和通用变量,统一新坐标系中的控制方程并进行无量纲化处理,确定基于JFO空化边界的空化数学模型,并将基于本文空化数学模型程序算法的理论计算值与实验值进行对比。结果表明,本文空化数学模型程序算法具有较高的准确性,为后续理论分析工作奠定基础。基于螺旋槽液膜密封空化数学模型,分析了不同空化边界下的空穴特征;探讨了沟槽参数、操作参数、物性参数、膜厚参数及微观表面形貌等对液膜中空穴诱发影响。理论研究表明,螺旋槽液膜密封空化诱发的根源是低压区槽台边界膜厚突变,进入槽区的液体在槽台边界处发生“节流膨胀”,液膜压力急剧降低至低于空穴压力时液膜开始破裂,导致空穴的发生;除微观表面形貌外的各参数分别不同程度地改变着空穴区沿螺旋方向和沿周向的两维尺度,并影响着相应位置的空穴度且其变化规律因参数不同而不同。端面非开槽、较小膜厚时,粗糙度促生空穴但数值有限;低波幅、一定范围高频波数或较大负锥度时易促生空穴,但正锥度可有效抑制空穴发生;端面开槽、较大膜厚时,粗糙度对空穴的影响较小可忽略;波幅的增加显著促生空穴并改变空穴发生位置,而锥度对空穴的影响有限。基于Reynolds和JFO两空化边界的相应理论计算值与基于螺旋槽液膜密封空化可视化实验测量的密封端面间液膜膜厚、摩擦扭矩及泄漏量等动压性能参数实验值进行对比,分析了液膜空化对密封性能影响并探讨了不同空化边界的适用性。研究表明,相比纯液膜润滑状态螺旋槽液膜密封,空化的发生降低了液膜承载能力、减小了泄漏量,虽对液膜摩擦扭矩影响较小但增大了摩擦系数;当液膜中空化发生面积较小时,两空化边界对液膜承载能力和泄漏量的预测均可适用;当空化发生面积较大时,JFO空化边界对液膜承载能力和泄漏量的预测更为准确。基于提升螺旋槽背流侧槽台边界及下游局部区域液膜压力,实现对液膜中空穴发生的抑制并提高密封动压润滑性能的举措,在矩形截面螺旋槽背流侧引入周向斜面台阶并建立物理模型;基于周向斜面台阶结构,以螺旋槽结构参数为优化变量,建立优化设计模型,确定沟槽结构参数最优值。研究表明,周向斜面台阶结构,在显著降低液膜中空穴发生面积、改变空穴区发生位置和形状的同时,亦显著提升液膜动压润滑性能;而优化后的槽型,具有更优异的动压润滑性能并很好地抑制了液膜中空穴的发生。