【摘 要】
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波形端面动压型机械密封是核主泵的关键基础部件,起到防止高温、高压、具有辐射性流体泄漏的目的,其相关技术和产品受到国外的垄断。为了掌握波形端面动压型机械密封的设计和制造技术,论文开展了核主泵波形端面动压型机械密封的设计与开发。以波形端面动压机械密封为研究对象,考虑液膜的空化效应,建立密封理论模型,研究了在恒定和非恒定液膜厚度条件下运行工况参数对密封性能的影响规律,揭示了波形端面密封的运行机理。考虑密
【基金项目】
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黑龙江省自然科学基金面上项目（No.E2018018）； 国家自然科学基金面上项目（No.51976043）；
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波形端面动压型机械密封是核主泵的关键基础部件,起到防止高温、高压、具有辐射性流体泄漏的目的,其相关技术和产品受到国外的垄断。为了掌握波形端面动压型机械密封的设计和制造技术,论文开展了核主泵波形端面动压型机械密封的设计与开发。以波形端面动压机械密封为研究对象,考虑液膜的空化效应,建立密封理论模型,研究了在恒定和非恒定液膜厚度条件下运行工况参数对密封性能的影响规律,揭示了波形端面密封的运行机理。考虑密封介质压力和温度对密封环变形的影响,建立了机械密封的热流固耦合模型,结合有限单元法求解物理模型,研究了工况参数和几何参数对密封环变形和密封性能的影响作用。提出了密封端面复杂波形的精确成形工艺和检测方法,针对制造的具有不同波数和波幅的密封环,开展了不同压力和温度工况下的密封性能试验。主要研究结果如下:（1）在恒定润滑液膜厚度条件下获得了不同转速和密封压力条件下的密封性能和低压空化演变规律,确定了机械密封的平衡比（B=0.7）和平衡直径（db=287.6mm）;在密封环轴向受力平衡时的研究结果表明,温度对密封性能的影响可忽略,压力、波数、波幅和转速对机械密封的密封性能和动静压效应影响显著。（2）在热流固的耦合作用下,密封端面的热力变形增大了界面间润滑液膜的收敛程度,增强了润滑液膜的静压效应;在密封设计中应结合具体运行工况,对不同端面结构形式深入剖析,从而有效控制热力变形;在研究范围内,为了满足核电站核主泵轴密封运行泄漏率的要求,选择密封静环的波数k=9～12和波幅ha=5～6.7μm较为合适。（3）针对机械密封静环的波形端面和其它密封环（动环、旋转底环和静止底环）密封面的高精度研磨成形难题,提出了一套完整的研磨制造与检测流程,设计了专用的制造与检测工装工具,实现了密封端面的高效精密成形,获得较高的波形密封表面质量,符合预期的设计要求。（4）提出了机械密封系统节流降压管的标定方法,表明实际标定的管长与理论计算管长存在偏差,需对节流管进行试验标定后才能应用于实际产品。机械密封试验结果表明,在升压、降压及稳定运转过程中,未出现密封环抱死、密封泄漏率超标及端面异常磨损等现象,证明了波形端面机械密封的运行稳定性。本文研制的9个波数的机械密封（波幅ha=6.3μm）安装在福清核电站3#反应堆核主泵,目前运行良好,没有发生泄漏率超标报警现象,验证了所设计加工的机械密封在核电站现场的良好适用性。综上,为实现核主泵波形端面动压机械密封的设计与工程开发,本文发展了一种机械密封热流固耦合数学模型及基于有限单元法和数值迭代方法相结合的数值求解方法,揭示了波形端面密封的热力变形耦合机制,获得了满足核主泵轴密封运行泄漏率要求的密封环结构参数范围,提出了一套完整拥有自主知识产权的密封端面制造成形工艺与检测方法,解决了核主泵机械密封国产化的难题,提升了密封制造技术水平和在国际核电市场的竞争力。
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