机械密封是涡轮泵轴端密封的最常用形式,但是,在实际运行中由于端面温升过高常常会导致端面间液膜汽化,和端面产生热变形,严重影响机械密封的工作性能,甚至导致安装涡轮泵所附装置的毁灭,因此降低温升十分关键。本文以涡轮泵机械密封为研究对象,对其动环外周表面加工织构时的对流换热效应影响开展研究,以实现表面织构引起搅拌功耗较小前提下端面温度明显下降的目标,为完善涡轮泵机械密封的设计制造提供指导。主要研究内容和成果如下:首先,针对涡轮泵机械密封在实际运行中因端面温度过高导致密封失效的问题,基于流体力学和传热学原理,采用商业软件Fluent建立密封环与密封腔的三维轴对称模型,耦合求解密封端面间流体的连续性方程和能量方程,将端面摩擦热以UDF(用户自定义方程)的形式导入,通过流场、温度场和压力场的求解,针对中低转速下的机械密封,对比分析了普通型密封环和动环外周表面织构型密封环两种结构密封的传热和对流换热效应,并在一定工况条件下对表面织构结构参数进行了优化分析。结果表明,织构型密封环与普通型密封环相比较其端面温度明显降低,在1800 rpm转速下的温降比达11%左右,表面织构的存在导致流体在织构内部产生变向流动和涡漩效应,在织构外部产生湍动并形成高压差区域,这些效应加强了密封环与密封腔内介质的对流换热强度;通过针对不同形状表面织构开展密封环对流换热效应强度的对比分析,发现在表面织构密度比等值条件下,所研究的多种表面织构中三角形具有最强的换热能力。其次,针对等边三角形表面织构,在高转速小尺寸的涡轮泵工作背景下展开分析,通过数值模拟仿真分析发现,动环外周表面三角形织构在高速高压工况下仍然具有明显的强换热能力,通过单一变量法改变织构结构参数进行优化分析,发现织构的深度、外接圆半径和旋转角对换热效果影响较大,而轴向织构之间的排间距、临近密封端面的第一排织构形心到端面的距离、织构的排数、旋转角和相邻织构的交错角度等结构参数影响相对较小,其中当等边三角形的任一边垂直密封端面且其对角指向与密封环旋转方向相反时,对流换热效果最佳,改变转速和压力,结果发现,换热效果与转速成负相关,与压力成正相关;同时针对三角形织构实际加工所遇到问题进行了更进一步优化。此外,将织构带来的冲洗功耗降低与搅拌功耗增加的比值定义为织构换热收益比值,并分析这个比值受转速与压力的影响规律。最后,为验证数值计算结果的可靠性,设计并搭建了高速涡轮泵机械密封模拟试验装置,以15#航空液压油为试验介质,针对普通型密封环和织构型密封环两种机械密封以及不同织构型密封环机械密封彼此间的密封性能与传热性能开展对比试验研究,并与数值仿真研究结果进行了对比分析,结果表明:试验结果与数值仿真计算结果趋势一致,织构型机械密封在8000rpm转速下具有明显的降温效果,降温幅度达6℃左右,与数值计算结果基本符合。因此,验证了数值模拟模型和计算方法的正确,研究成果完善了无外加冲洗/冷却管路涡轮泵机械密封的设计方法。