上游泵送机械密封可实现零泄漏、零溢出,已在工业生产中广泛应用。密封端面液膜厚度为微米级别,在各种载荷作用下密封环产生微小变形,对密封的性能产生重要影响;且国内上游泵送机械密封技术水平主要在1MPa以下,适用于高压的上游泵送机械密封较少。本文以串联式上游泵送机械密封为研究对象,采用数值模拟和试验相结合的方法,对高压上游泵送机械密封性能进行了研究。这对于高压工况下上游泵送机械密封的应用具有重要意义。建立了动静环之间液膜的周期计算模型以及动环—液膜—静环的周期性计算模型,利用Fluent软件对液膜流场和温度场以及动静环温度分布分别进行数值模拟计算;分析了转速、压差等工况参数对密封性能的影响,对比分析了端面双列螺旋槽和单列螺旋槽两种槽型的密封性能,针对双列槽端面分析了螺旋槽角度对密封性能的影响。基于Fluent数值计算结果,利用ANSYS软件对密封动静环分别进行力变形、热变形和力热耦合变形计算,分析了在力、热载荷和机械约束共同作用下动静环的应力分布;研究表明热变形远大于力变形,说明热载荷在密封环变形中起主要作用。研究了转速、压差、温差等工况参数的变化对动静环力变形、热变形以及力热耦合变形的影响,得到了密封环变形随工况参数变化的曲线图。针对密封端面的变形及其材料的物理特性进行分析,得出密封端面应尽量选用弹性模量高、热膨胀系数低的材料。最后,进行串联式上游泵送机械密封性能试验,设计加工了一套上游泵送机械密封及其相应的试验工装,在完成了端面研磨、超速试验、动平衡检测等一系列准备工作后,将装配好的上游泵送机械密封在实验台上进行性能试验,通过改变压力、转速等工况参数以及更换不同槽型的动环分别对密封泵送量进行测量记录。试验验证了数值模拟结果,并表明所设计上游泵送机械密封可应用于3.0MPa的高压工况下。