摘要
非接触式端面密封运行稳定，端面之间无直接摩擦，能使密封寿命大大延长，作为各种旋转机械的轴端密封有着广泛的应用前景，对于深井、超深井钻探钻具的运行和钻井效率有着重要意义。非接触式端面密封以在端面进行构型设计的方式产生动压效应，提高密封的承载能力。本文阐述端面表面沟槽形状、端面变形、温粘效应和空化效应对端面密封的流体动压效应产生的影响，归纳总结流体动压效应理论、实验和应用的研究现状，并展望未来非接触式端面密封的发展方向。
钻探是勘探和获得矿产资源、探明水文地质和工程地质最重要的技术手段，深井、超深井钻探工程面临着井底高温、高压、振动、磨粒磨损等恶劣工况条件，且高温下钻井液对钻具的腐蚀较常温下更为复杂，端面密封作为各种旋转部件的主要轴封方
常见的端面密封都属于接触式端面密封，但由于端面间的直接接触易造成磨损过度，导致密封失效，难以适应井下工况。国内外学者基于流体动压润滑理论设计了非接触式端面密封，通过在端面表面开设一定的几何构型对密封进行改进优化，在端面之间形成微小厚度的液膜使得动静环彼此分离，避免端面之间磨损。理论上可通过流体动压形成密封空间，达到密封介质“零泄漏”和不磨损或低磨损的目的。随着表面织构技术的发
端面密封的流体动压效应主要取决于密封端面间的流体膜，流体膜由两端面相对运动产生，并提供密封承载能力。端面几何形状决定两密封面之间润滑膜的厚度和密封泄漏情况，因此，通过合理选择并优化端面构型能有效控制泄漏率。流体动压效应主要受密封面流体膜形状、密封面变形、温粘效应和空化效应等因素的影响。针对这些效应，大量研究基于一定的假设展开。本文回顾近几十年来国内外非接触式端面密封动压效应的研究历程，归纳总结流体动压效应理论、实验和应用的研究现状，并展望今后一段时期的研究方向。
流体动压端面密封依靠在密封端面上加工不同形状的流体动压槽来产生流体动压效应，增强密封支撑能力，且由于流体动压作用，可以在端面之间形成微尺度薄层的流体膜，避免两端面直接直接接触，从而减小二者之间的磨损，这些特性能够提高密封面的寿命。不同密封面形状和流槽形状明显影响密封面流体膜的形状效应，随着表面织构技术的发展，端面构型得到进一步研究，通常建立的密封端面模型有周向台阶、环形槽、螺旋槽、周向波度模型、微观表面粗糙度模型等。
Khonsari
图1 周向斜面台阶螺旋槽液膜密封物理模
环形槽广泛应用于压缩机、轴承、泵等旋转机
图2 带有环形槽的瑞利台阶型端面密
螺旋槽端面密封作为一种非接触式机械密封，能增强密封间隙之间液膜的生成，在旋转机械中也得到了广泛应用，尤其是中高速工况条件下。冯
除典型的单向螺旋凹槽外，一些学者也提出了用几种组合螺旋的广义几何模型来表征表面纹理并获得具有大开启力和液膜刚度的最佳结构，Jiang
图3 双向螺旋槽组合结
周向波度端面的典型应用是在核主泵上，并且为提高密封性能，对常规周向波度端面进行优化，提出了一种波形-倾斜-坝式（wave-tilt-dam，简称WTD）端面密封。Liu
图4 WTD端面几何模
对于微米级间隙润滑膜而言，端面表面粗糙度将对动压效应、内部流动摩阻、空化特性和泄漏流动等产生影响，除宏观几何模型外，也有大量研究基于微观表面粗糙度模型展开。Brunetière
端面几何形状决定两密封面之间润滑膜的厚度和泄漏情况，相关研究已证实密封端面表面构型的设置在改善密封性能方面所具有的有效性，因此合理选择并优化端面构型能有效控制泄漏率，更好地适应复杂工况下对密封端面的高要求。
密封端面变形与液膜流场的相互作用逐渐成为研究的热点，当前研究端面变形理论主要是基于Mayer
关于机械变形方面，Bai
关于热变形方面，白少先
除以上文章外，部分研究表明还有其他条件会对端面变形产生影响。密封面的沟槽结构也会对弹性变形产生影响，从而改变密封性能。Alfredo
端面变形对密封性能影响的研究较为完整，但是密封面变形与液膜流场之间相互作用的规律还有待进一步研究，同时端面变形受多种因素的影响，当前研究大多集中在针对某一具体结构或者给定一种边界条件设定，端面密封变形机理性工作依然还有待更系统的研究。
摩擦等因素使密封间的流体温度升高，造成液膜温度场不均匀分布，温度场的变化必然会引起流体粘度场的变化，粘度变化又会导致液膜压力分布变化。液体流态对端面密封对流换热有较大影响，随着旋转机械高速高压应用的趋势，密封中传热问题变得重要，经典流体润滑理论中的等温假设、等粘度假设与实际情况有较大出入，无法反映出流体性质的变化，同样也无法正确表征端面密封的密封特性，需要进一步研究液膜温度场问题。
研究表明，温粘效应一方面增加密封泄漏量，降低开启力和液膜刚度，对端面密封运行稳定性带来负面影响，另一方面会导致液膜温升，某种程度上会提高密封运行的安全
空化是由于剪切作用，发散区膜压力下降，密封间隙之间的液体中溶解的气体被释放，或者被包裹在液体中的气体变大，或者液体相变为蒸气，形成空穴或气穴的现
流体动力润滑下空化现象影响的边界条件主要有四种，分别是Sommerfeld边界、Gumbel （half-Sommerfeld）边界、Swift-Stieber （Reynolds）边界、和Jakobsson-Floberg-Olsson （JFO）边界。在理论方面，最早提出来的Sommerfeld边界不符合实际会产生空化的现象，可用于润滑问题的定性分析；half-Sommerfeld边界可排除负压问题，但在物理上不可能实现；Reynolds边界条件应用较多，但忽略质量守恒条件，无法解释液膜再生成问题，对空化现象描述并不完整，需提出更合适的空化模型进行完善，当前理论研究大多集中在提出新的空化边界和空化算法上。
Ma
空化的产生影响流体动力润滑接触面的压力分布，进而影响端面密封的承载能力。Ma
许多理论和实验研究发现，密封面之间的密封间隙可能影响空化区域的压力分布。Shen
非接触式端面密封因性能优越，运行稳定，泄漏率低，广泛应用于各种旋转机械的轴端密封，且在正常运行下没有磨损或低磨损，使用寿命长，可提高整个设备的工作效率。在密封端面开设不同槽型可提升端面流体动压效应，基于端面变形、温粘效应和空化效应，并优化结构参数、模型设计、边界参数都有利于提升密封承载能力和润滑性能。
端面密封性能研究由简单的流体分析、流固耦合分析逐渐向热流固多场耦合分析发展。近年来随着表面织构技术、计算机技术等技术的发展，研究人员以这些技术为依托，使研究从稳态向瞬态和动态发展，为实际应用提供了可靠的理论依据。根据目前的研究现状，还有内容有待进一步深入研究。
（1）当前研究模型相对不够完善，无法解释液膜再生成等实际问题，需要提出新的边界条件和模型算法已更贴切实际应用。
（2）研究大多针对某种特定结构或者预先设定某一边界条件展开，对于密封面变形与流场之间、温度场与流场及压力场之间相互作用规律，关于密封机理和动压润滑的协同机制还未进行系统的探究，这是一个值得关注的对象。
（3）关于端面密封的可视化实验相关研究较少，多是关于机理性试验或实验结果的直接分析，缺乏密封运行过程的动态表征，可以采用一些先进的传感技术对密封状态进行在线监测。
（4）密封材料表面改性技术的研究与应用可进一步开展，非接触式端面密封随着应用得到推广，逐渐应用于高温、高压、磨损、腐蚀等恶劣工况，提升密封材料性能可以达到增强密封耐磨、耐蚀性能，提高工作寿命的目的。
参考文献（References）
Zheng Wei， Sun Jianjun， Ma Chenbo. The theoretical basis of face contact pressure design of the zero-leakage mechanical seal［J］. Coatings， 2022，12（4）：536. [百度学术]
Duffet G， Sallamand P， Vannes A B. Improvement in friction by Cw Nd： YAG laser surface treatment on cast iron cylinder bore［J］. Applied Surface Science， 2003，205（1-4）：289-296. [百度学术]
Yan D S， Qu N S， Li H S. Significance of dimple parameters on the friction of sliding surfaces investigated by orthogonal experiments［J］. Tribology Transactions， 2010，53（5）：703-712. [百度学术]
Su X， Shi L P， Huang W. A multi-phase micro-abrasive jet machining technique for the surface texturing of mechanical seals［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016：1-8. [百度学术]
Khonsari M. M.， Booser E. R. Applied tribology： bearing design and lubrication［J］， Journal of Tribology， 2008，124（2）：432665. [百度学术]
Hossain M.Z.， Razzaque M.M. Load capacity of a grooved circular step thrust bearing［J］. Journal of Tribology， 2014，136（1）： 011705. [百度学术]
李振涛，黄佰朋，郝木明.周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能［J］.化工学报，2017，68（5）：2016-2026. [百度学术]
Zhao X， Zhang J， Dong H. Numerical simulation and experimental study on the gas-solid coupling of the aerostatic thrust bearing with elastic equalizing pressure groove［J］. Shock and Vibration， 2017（PT5）：1-11. [百度学术]
葛诚，孙见君，苏徐辰.扩压式自泵送流体动静压型机械密封性能分析［J］.化工学报，2020，71（5）：2202-2214. [百度学术]
Jiang J， Peng X， Zong C. Enhancing film stiffness of spiral groove dry gas seal via shape modification at low speed： numerical results and experiment［J］. Tribology Transactions， 2019，62（6）：931-942. [百度学术]
Nan Zheng， Baohong Tong， Wen Yang. Study on pressure balance and clearance flow characteristics of composite-grooved piston-copper pair［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2020，42（6）：1-11. [百度学术]
马学忠，孟祥铠.瑞利台阶型机械密封端面环形槽的空化诱导机理分析［J］. 机械工程学报，2022，58（13）：166-174. [百度学术]
冯秀.螺旋槽上游泵送机械密封摩擦特性试验研究［J］.流体机械，2012，（9）：9-13. [百度学术]
李振涛，王赟磊，郝木明.下游泵送螺旋槽密封空化试验及性能分析［J］.摩擦学学报，2017，37（6）：743-755. [百度学术]
马学忠，孟祥铠，王玉明.机械端面密封反向螺旋槽空化效应与泄漏控制机理［J］.化工学报，2018，69（4）：1558-1568. [百度学术]
Jiang JinBo， Peng XuDong， LiJiYun. A comparative study on the performance of typical types of bionic groove dry gas seal based on bird wing［J］. Journal Of Bionic Engineering， 2016，13（2）：324-334. [百度学术]
Jiang JinBo， Peng XuDong， Li JiYun. Leakage and stiffness characteristics of bionic cluster spiral groove dry gas seal［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2018，31（1）：21. [百度学术]
Jiang JinBo， Zhao WenJing， Peng XuDong. A novel design for discrete surface texture on gas face seals based on a superposed groove model［J］. Tribology International， 2020，147：106269. [百度学术]
Ying Liu， Wei Liu， Yongjian Li. Mechanism of a wavy-tilt-dam mechanical seal under different working conditions［J］. Tribology International， 2015，90：43-54. [百度学术]
Wentao Su， Yang Li， Yahui Wang. Influence of structural parameters on wavy-tilt-dam hydrodynamic mechanical seal performance in reactor coolant pump［J］. Renewable Energy， 2020，166：210-221. [百度学术]
Wang Tao， Huang Weifeng， Liu Ying. A homogeneous phase change model for two-phase mechanical seals with three-dimensional face structures［J］. Journal Of Tribology-Transactions Of The Asme， 2014，136（4）：1-11. [百度学术]
Noël Brunetière， Bernard Tournerie. Numerical analysis of a surface-textured mechanical seal operating in mixed lubrication regime［J］. Tribology International， 2012，49：80-89. [百度学术]
Ma W， Biboulet N， Lubrecht AA. Numerical solution and FFT-based prediction of the hydrodynamic pressure generation of parallel rough surfaces［J］. Bear World， 2019，4：27-38. [百度学术]
迈尔.机械密封第六版［M］.北京：化学工业出版社，1981. [百度学术]
张书贵，顾永泉.机械密封变形的研究［J］.中国石油大学学报（自然科学版），1992，16（2）：48-53. [百度学术]
Shaoxian Bai， Yuansen Song， Jing Yang. Elastic deformation of liquid spiral groove face seals operating at high speeds and low pressure［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2022，226：107397. [百度学术]
白少先，魏佳，朱得磊.T型槽端面密封气膜热弹流润滑动态稳定性［J］.摩擦学学报，2019，39（2）：131-139. [百度学术]
李彦启，刘启东，刘合荣.基于热力耦合的镶嵌式机械密封端面变形分析［J］.润滑与密封，2021，46（9）：113-119. [百度学术]
Wang Rong， Bai Shaoxian. Thermo-hydrodynamic analysis of low-temperature supercritical helium spiral-grooved face seals： large ambient temperature gradient［J］. Applied Sciences， 2022，12（21）：11074. [百度学术]
Zhu Delei， Yang Jing， Bai Shaoxian. Thermo elas to hydrodynamic characteristics of low-temperature helium gas t-groove face seals［J］. Materials （Basel， Switzerland）， 2021，14（11）：2873. [百度学术]
郑娆，张敬博，李双喜.船舶艉轴双端面密封端面热-力耦合变形及影响因素分析［J］.流体机械，2022，50（12）：20-26. [百度学术]
Alfredo Chávez， Oscar De Santiago. Experimental measurements of the thermo elastic behavior of a dry gas seal operating with logarithmic spiral grooves of 11° and 15°［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2021，235（9）：1807-1819. [百度学术]
Ma Yu， WangYa Hui， Zhou HaiChun. Characteristics of the waviness end-face mechanical seal in reactor coolant pump considering the viscosity-temperature effect［J］. Frontiers in Energy Research， 2021（9）. [百度学术]
Qiu Y，Khonsari M M. Thermohydrodynamic analysis of spiral groove mechanical face seal for liquid applications［J］. Journal of Tribology， 2012，134（2）：390-392. [百度学术]
宫晓清，孟祥铠，李纪云.核主泵用流体动压型机械密封温度场的数值研究［J］.流体机械，2015（7）：16-21. [百度学术]
Feng Xiaodong， Su Wentao， Ma Yu. Numerical and experimental study on waviness mechanical seal of reactor coolant pump［J］. Processes， 2020，8（12）：1611. [百度学术]
Jie Jin， Xudong Peng， Yuntang Li. Comparison and analysis of the performance of a spiral groove mechanical seal subjected to phase change with different sealing media［J］. Applied Thermal Engineering， 2023，219：119618. [百度学术]
Braun MJ， Hannon WM. Cavitation formation and modelling for fluid film bearings： a review［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2010，224（9）：839-863. [百度学术]
Gevari M T，Abbasiasl T，Niazi S. Direct and indirect thermal applications of hydrodynamic and acoustic cavitation： A review［J］. Applied Thermal Engineering， 2020，171（5）：115065. [百度学术]
Ma Xuezhong， Meng Xiangkai， Wang， et al. Suction effect of cavitation in the reverse-spiral-grooved mechanical face seals［J］. Tribology International， 2019（132）：142-153. [百度学术]
Fan Tieshu， Hamzehlouia Sina， Behdinan Kamran. The effect of lubricant inertia on fluid cavitation for high-speed squeeze film dampers［J］. Journal of Vibroengineering， 2017，19（8）： 6122-6134. [百度学术]
Ma Xuezhong， Meng Xiangkai， Wang Yuming. Fluid inertia effect on spiral-grooved mechanical face seals considering cavitation effects［J］. Tribology Transactions， 2021， 64（2）：367-380. [百度学术]
Zhao Yimin， Wei Chao， Yuan Shihua. Theoretical and Experimental Study of Cavitation Effects on the Dynamic Characteristic of Spiral-Groove Rotary Seals （SGRSs）［J］. Tribology Letters， 2016，64（3）：50. [百度学术]
Meng Xiangkai， KhonsariM. M. Viscosity wedge effect of dimpled surfaces considering cavitation effect［J］. Tribology International， 2018，122（1）：58-66. [百度学术]
Cong Shen， M. M. Khonsari. On the Magnitude of Cavitation Pressure of Steady-State Lubrication［J］. Tribology Letters， 2013，51（1）：153-160. [百度学术]
Zhao Yimin， Wei Chao， Yuan Shihua. Theoretical and experimental study of cavitation effects on the dynamic characteristic of spiral-groove rotary seals （SGRSs）［J］. Tribology Letters， 2016，64（3）. [百度学术]
