机械密封在高速运转下会产生过高的粘性剪切热,导致密封环温度过高,热力变形较大,破坏端面液膜的稳定性,在很多大型设备中已经成为一个急需解决的关键问题,以典型高速泵机械密封为研究对象,对现有结构的密封性能进行评估,在多场耦合分析的基础上,开展有针对性的结构改进,达到提高其可靠性和稳定性的目的,为高速泵用机械密封的改造设计提供理论支持。首先,针对密封在运转过程中温度过高,液膜容易汽化,从而出现密封稳定性降低,容易出现早期失效等现象,基于流体力学和润滑理论,建立起包含密封环、微米级润滑液膜以及密封腔在内的三维跨尺度多物理场耦合模型,耦合求解连续性方程、N-S方程及能量方程,对现有结构进行温度场、压力场、流场及热力变形分析。研究表明:密封端面最高温升达到54.9℃,最高温度出现在静环靠近内径处,现有结构密封腔内的流动状况不理想,热力耦合变形导致端面间隙沿泄漏方向呈收敛状,并在端面内径处出现局部汽化现象;其次,针对现有结构,基于上述分析理论和方法,对动环、静环以及密封腔等三个组件进行结构改进,结果表明:机械密封采用静环六孔结构、楔形面结构、导流套以及泵效环均有一定的降温效果,其中泵效环的降温效果最为明显,降温幅度达到7℃;最后,为验证数值模拟结果的可靠性与正确性,搭建了密封实验台并对其中几种典型改进结构进行了实验研究。在不同密封介质循环流量、转速、介质压力条件下进行对比实验,结果表明和理论基本符合,其中静环六孔结构降温幅度为2℃,泵效环降温幅度达5℃;进一步的实验研究了摩擦副配对对密封环温度的影响,结果表明浸渍树脂石墨要优于普通石墨,而碳化硅相比于钼合金则具有更好的热特性。本文针对目前高速泵机械密封所面临的环境温度过高、液膜不稳定等因素造成的早期密封失效症状,通过建立三维耦合传热模型,对现有结构进行系统全面的多场耦合分析,给出了对现有结构密封的评价,并从整体结构出发,对动环、静环及密封腔等部件进行了结构改进,有关结果得到了实验验证。在计算过程中采用多场耦合分析计算,避免了传热经验公式的误差;考虑密封系统整体结构进行计算与结构改进,完善了液膜密封设计方法,为高速泵液膜机械密封的改造设计提供了理论基础和技术支持。