上游泵送机械密封作为一种利用动压效应实现非接触式密封的结构,近年来受到诸多研究者的关注和研究。对于微米级的密封间隙,内部流动的瞬态特性和密封件的振动特性都将对润滑膜的稳定性和密封润滑性能产生直接影响,是关系密封性能和寿命的重要问题,而这方面的研究目前还十分欠缺。本文在国家自然科学基金项目(51279067)和航空科学基金项目(201328R3001)的资助下,以上游泵送机械密封为研究对象,针对密封内部非稳态流动特性及其诱发密封环振动的机理进行研究,分析密封环变形规律和端面槽型改进成效,探索非接触式机械密封非稳态研究方法,主要研究工作及结论如下。在前人对上游泵送机械密封内部流场稳态研究的基础上,建立非稳态流动计算模型,采用数值分析方法对润滑膜内部流场进行非定常分析,研究了非定常流动特性对内流场压力、速度及密封性能的影响规律,得出动静干涉产生强烈的压力脉动是非定常流动现象的重要特征,也是影响液膜开启力变化和内流场出现不稳定现象的主要原因。在密封间隙内流场压力脉动特性分析的基础上,应用BVF诊断方法对内流场特性进行进一步分析,探索非接触式机械密封的密封性能及内部流动稳定性的评判方法,研究螺旋槽改进与密封性能的关系并进行试验验证,获得性能更优的槽型改进方案。结果表明:将速度场、压力脉动和边界涡量流三者一起作为综合分析评判密封性能稳定性的依据是可行性的;槽根倒圆能提升动压效应和液膜开启力,但存在最佳径长比Rr值。考虑润滑膜瞬态激励对密封环变形的影响,以密封内部流场非定常流动研究为基础,建立非稳态单向流固耦合模型,对密封环及润滑膜整体进行非稳态流固耦合计算,研究密封环变形规律及其对密封稳定性的影响关系,以及槽型改进对密封稳定性的影响。研究表明:两种模型的密封环最大等效应力、最大变形均发生在螺旋槽槽根处,且存在周向变形和轴向变形,但周向变形为主。在考虑水力因素和机械因素的情况下,对上游泵送机械密封进行模态分析,研究密封环的振动特性,比较分析槽型改进对振动特性的影响。研究可知:在所研究对象及工况下密封环不易发生共振;与普通槽型相比,模根倒圆后,动环周向变形和轴向变形更大,但静环受槽型的影响较小,固有频率变化不大。