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工程设计学报
工程设计学报  2025, Vol. 32 Issue (6): 865-874    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.139
摩擦学与表面/界面技术     
非对称性织构化密封端面的空化行为及密封性能研究
崔旭冉1(),张磊1,耿翔宇1,胡正东2,闫伟3,乔印虎4,时礼平1,李蒙1()
1.安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243002
2.合肥大学 先进制造工程学院，安徽 合肥 230601
3.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000
4.安徽科技学院 智能制造学院，安徽 凤阳 233100
Research on cavitation behavior and sealing performance of asymmetric textured sealing end faces
Xuran CUI1(),Lei ZHANG1,Xiangyu GENG1,Zhengdong HU2,Wei YAN3,Yinhu QIAO4,Liping SHI1,Meng LI1()
1.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China
2.School of Advanced Manufacturing Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China
3.School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China
4.College of Intelligent Manufacturing, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China
 全文: PDF(7937 KB)   HTML
摘要：

为研究机械密封中非对称性沟槽对空化演变及密封性能的影响，设计并制备了平底对称性沟槽和左、右倾斜非对称性沟槽；同时，通过试验与数值模拟相结合的方法，研究了不同工况下非对称性织构化密封端面的空化行为、液膜压力与相态分布以及密封性能。结果表明：左倾斜非对称性设计增大了沟槽的空化面积，与平底沟槽相比，增幅约为21.3%；而右倾斜非对称性设计能有效抑制沟槽的空化行为，其空化面积的降幅可达44.9%。在密封性能方面，左、右倾斜非对称性设计均能抑制端面泄漏，泄漏量的降幅分别约为20.4%和40.7%，但其界面摩擦学特性却存在显著差异：左倾斜沟槽使密封端面的摩擦力矩约增大了30.8%，而右倾斜沟槽使密封端面的摩擦力矩约减小了42.6%。由此说明，右倾斜结构的渐扩设计延缓了沟槽入口处的截面突扩行为，促使流体能够更好地贴附壁面流动，减少了边界层流体脱离现象，有效地抑制了低压区的形成，减小了空化面积。此外，较小的空化面积不仅增强了沟槽单元的流体动压效应和液膜承载能力，改善了界面摩擦学特性，还促进了沟槽出口处稳定高压密封坝的形成，减少了泄漏通道。研究结果可为机械密封端面的优化设计提供重要参考。
关键词： 机械密封;  非对称性沟槽;  空化面积;  密封性能    
Abstract:

To investigate the influence of asymmetric grooves on cavitation evolution and sealing performance of mechanical seals, the flat-bottom symmetric grooves and left-tilted and right-tilted asymmetric grooves were designed and fabricated. Meanwhile, a combination method of experiments and numerical simulations was employed to analyze cavitation behavior, liquid film pressure and phase distribution, as well as the sealing performance of asymmetric textured sealing end faces under varying operating conditions. The results showed that the left-tilted asymmetric design increased the cavitation area of the groove by approximately 21.3% compared to the flat-bottom groove, whereas the right-tilted asymmetric design suppressed the cavitation behavior of the groove, with a reduction of cavitation area up to 44.9%. Regarding sealing performance, both the left-tilted and right-tilted asymmetric designs contributed to suppressing end face leakage, achieving leakage reductions of approximately 20.4% and 40.7%, respectively. However, their tribological behaviors differed markedly: the left-tilted groove increased the frictional torque of the sealing end face by approximately 30.8%, whereas the right-tilted groove led to a reduction of about 42.6%. It was concluded that the gradually expanding design of the right-tilted structure mitigated the abrupt cross-sectional expansion at the groove inlet, enabling the fluid to better adhere to the groove wall and reducing boundary layer separation. This mechanism effectively inhibitd the formation of low-pressure regions, thereby reducing cavitation area. Furthermore, the smaller cavitation area enhanced the hydrodynamic pressure effect within the groove unit and the liquid film bearing capacity, thereby improving interfacial tribological performance. Additionally, a stable high-pressure sealing dam was formed at the groove outlet, thereby reducing leakage pathways. The research results can provide significant references for the optimal design of mechanical seal end faces.
Key words: mechanical seal    asymmetric grooves    cavitation area    sealing performance
收稿日期: 2025-05-12 出版日期: 2025-12-30
CLC:  TH 117.2  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52205178);安徽省高校协同创新项目(GXXT-2023-022)
通讯作者: 李蒙     E-mail: 15039446163@163.com;limeng@ahut.edu.cn
作者简介: 崔旭冉（2001—），男，硕士生，从事机械密封摩擦与泄漏研究，E-mail: 15039446163@163.com
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崔旭冉
张磊
耿翔宇
胡正东
闫伟
乔印虎
时礼平
李蒙

引用本文:

崔旭冉,张磊,耿翔宇,胡正东,闫伟,乔印虎,时礼平,李蒙. 非对称性织构化密封端面的空化行为及密封性能研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(6): 865-874.

Xuran CUI,Lei ZHANG,Xiangyu GENG,Zhengdong HU,Wei YAN,Yinhu QIAO,Liping SHI,Meng LI. Research on cavitation behavior and sealing performance of asymmetric textured sealing end faces[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(6): 865-874.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.139    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I6/865

图1  动环试样
图2  静环试样制备
参数数值参数数值
内径Ri/mm14.4槽角θ1/(°)9
外径Ro/mm20.2堰角θ2/(°)21
槽长L/mm4.5液膜厚度h0/μm5
槽宽B/mm2.1沟槽深度h1/μm21
单个槽宽B1/mm0.3台阶深度h2/μm3
中心角φ/(°)30面积率Sp/%15.4
表1  沟槽结构参数
图3  静环表面沟槽的三维形貌
图4  高速机械密封试验台
参数数值
出口压力/MPa0.10
进口压力/MPa0.18~0.22
动力黏度/(Pa·s)4.025×10-5
温度/℃25
轴向载荷/N100
转速/(r/min)500~2 500
表2  试验工况参数
图5  不同转速和进口压力下密封端面的泄漏量
图6  不同转速和进口压力下密封端面的摩擦力矩
图7  不同转速和进口压力下密封端面的温升
图8  不同沟槽的空化面积
图9  不同沟槽的空化行为演变图
图10  不同转速和进口压力下沟槽的空化面积比
图11  计算单元区域的边界条件设置
图12  液膜压力、截面流线和液膜相态分布
图13  沟槽空化面积比的试验值与仿真值对比
  
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