旋转机械设备是石油化工行业的“心脏”设备,而旋转机械的轴端密封装置是“心脏”设备中的核心部件。随着旋转机械设备逐渐向高转速、高温等极端工况条件发展;另一方面,对石化行业使用的非接触式密封提出了零溢出等苛刻要求。然而目前国内使用的端面气膜密封易遭受到磨损、失稳等危害,严重影响化工设备行业的安全运行。因而探寻一种气膜稳定性更好的新型密封迫在眉睫。本论文提出了一种新型浮动式柱面微槽气膜密封结构,设计了单列螺旋槽、单列一字平行槽、双列人字螺旋槽和双列一字平行槽,以静态特性、动态特性、滑移流效应、槽型优化、样机测试为切入点,从理论计算和试验研究两个方面对其微间隙气膜的润滑特性进行深入研究。采用中心差分法和Newton-Raphson迭代法耦合求解压力控制雷诺方程和气膜厚度方程,考虑槽型结构、偏心率和槽台突变对气膜厚度控制方程的影响,获得气膜压力和膜厚分布,分析了工况、结构参数和槽型对新型密封的静态特性影响。结果表明:新型密封适应在小膜厚、大偏心和高转速的环境中稳定运行;单列一字平行槽的气膜承载力最高,双列槽型泄漏量较大;而气膜厚度和偏心率是决定槽型发挥作用的关键参数;并从四种槽型的结果讨论中选取了单列螺旋槽和单列一字平行槽作为下一步研究的槽型结构。针对所选取的两种槽型,建立动态雷诺方程,采用小扰动方法,建立了压力和膜厚扰动微量的关系表达式,求解关于微扰下的动态雷诺微分方程,获得了新型密封的八个动态特性系数,讨论工况条件和结构参数对动态特性系数的影响。结果表明:气膜的交叉刚度k_xy和k_yx以及交叉阻尼c_xy和c_yx的曲线呈现近乎对称的特点,主刚度k_xx和k_yy以及主阻尼c_xx和c_yy的变化规律基本一致;压差对密封轴向的压力流和周向的剪切流有较大的影响;同时,单列一字平行槽比单列螺旋槽更加适合新型密封的界面结构。针对采用单列一字平行槽型的新型密封,构建了气膜承载力与泄漏量之比的新目标函数,对影响目标函数的槽数、槽深和槽长作为多参数协调优化变量,联合了承漏比与多参数之间的逻辑关系,并建立三坐标全局搜寻和多轮最优三参数交互验证的新优化模型开展数值计算。结果表明:优化后的槽型将获得更大气膜压力,有更明显的节流效应和压力尖峰以及槽区气膜压力更加稳定,说明了槽型对新型密封有重要影响;同时,二轮优化后的槽型结构参数获得了比一轮优化更大的承漏比,说明了存在最佳参数组合令密封性能得到极大的改善,并证明了多轮最优三参数交互验证是十分必要的。根据新型浮动式柱面微槽气膜密封的微尺度特征尺寸和气流润滑机制,引入3种不同的速度滑移模型对新型密封的气体润滑雷诺方程进行修正,并考虑极薄气膜带来的数值求解偏差问题,对气膜润滑进行计算和分析。结果表明:气膜在滑移流效应不断加强的情况下,导致一阶速度滑移模型、二阶速度滑移模型与F-K模型之间的气膜压力和气膜承载力表现出较大的差异。由于气膜厚度较薄,其气膜剪切率较高,呈现较强的非线性特征,建议采用有更好的稳定性F-K模型计算滑移流效应下气膜润滑性能;同时也发现二阶速度滑移模型在低压下能保持很好的精度。为验证文中的数值计算结果,搭建了新型浮动式柱面微槽气膜密封的试验测试系统,改造了高速试验台和气路系统,设计了新型密封系统,提出了轴套表面槽型雕刻的新工艺,选用符合高工况的传感器等设备,采取抑制干扰的措施,对比分析了试验和理论数值。结果表明:试验测得的单列一字平行槽的气膜承载力最大,同种槽型下单列排布结构具有更大的气膜承载力和较小的泄漏量;并且优化后的新型单列一字平行槽浮动式柱面气膜密封的性能有了极大的提高;F-K模型获得的气膜承载力与试验测试值更为接近,误差最小;理论计算模型与试验结果吻合度较高,说明理论模型具有一定的可靠性。本论文系统的阐述了新型浮动式柱面微槽气膜密封的动静态特性变化、槽型优化规律以及滑移流机制下的润滑特性,并解决了轴套圆柱面槽型雕刻技术以及发现适用于端面的螺旋槽结构并不是新型密封的最佳选择。论文的研究成果为今后新型浮动式柱面微槽气膜密封在槽型设计、润滑性能分析、工程应用推广等方面奠定了坚实的基础。