高PV值耐壓旋轉動密封設計及性能試驗

■ 楊愛華 黎向宇 尹美 / 中國航發動研所

隨著直升機作戰任務、航程、續航時間等要求的不斷提高，高速共軸對轉直升機因續航能力強而備受青睞。耐壓動密封可以解決該型直升機傳動系統動靜部件間壓力油傳輸及密封問題，具有耐壓性強、密封性好、可靠性高等特點。

壓力與速度的乘積，即PV值，是衡量密封性能的重要指標。高速共軸對轉直升機傳動系統因嵌套雙旋翼結構需要解決動靜部件之間壓力滑油傳輸及密封問題，而常規定速單旋翼直升機無此問題。常規直升機傳動系統動密封要么不具備耐壓能力（如唇形油封），要么PV值不夠高（如機械密封），不能滿足高速共軸對轉直升機對耐壓動密封的性能要求。國內直升機傳動系統領域高PV值耐壓旋轉動密封研究相對較弱，未見有相關高PV值耐壓旋轉動密封在直升機傳動系統上應用。開展高PV值耐壓旋轉動密封技術研究，可以突破高速共軸對轉直升機傳動系統研制技術瓶頸，滿足高速共軸對轉直升機傳動系統的要求。

耐壓旋轉動密封設計要求

高速共軸對轉直升機傳動系統耐壓旋轉動密封布置于減速器機匣內部，且其泄漏只能發生在減速器內部，因此允許耐壓旋轉動密封存在一定的泄漏。考慮耐壓旋轉動密封實際工況，耐壓動密封的主要設計技術指標應滿足以下要求：額定工作油溫為80℃，最大為110℃；耐壓能力不低于1.0MPa，最高為1.8MPa；PV值不低于25MPa·m/s，最高為45MPa·m/s。

為解決直升機傳動系統動靜部件壓力油傳輸及密封問題，設計了一種新型的高PV值耐壓旋轉動密封，創新性地采用旋轉分油器和聚四氟乙烯（PTFE）活塞密封環組合密封，耐壓旋轉組合動密封在減速器內的布置如圖1所示。

圖1 耐壓旋轉組合動密封在減速器內的布置示意

耐壓旋轉動密封工作原理

本項目設計的耐壓旋轉動密封結構簡單緊湊、安裝空間小，且密封方式為組合密封，具有雙重密封的特點，可靠性高、密封性能好、泄漏量小，活塞環式耐壓旋轉組合動密封工作原理如圖2所示，旋轉分油器與旋轉軸配合，通過設計合理的配合間隙，起到密封一定壓力滑油的作用，為第一道密封；在旋轉分油器與旋轉軸之間布置PTFE活塞密封環，活塞密封環具有一定的彈性，通過主、輔密封面進一步對壓力滑油進行密封，形成第二道密封。

圖2 活塞環式耐壓旋轉組合動密封工作原理

耐壓旋轉動密封結構

耐壓旋轉動密封結構為組合動密封，由旋轉分油器和PTFE活塞密封環兩部分組合而成，旋轉分油器與旋轉軸配合，可密封一定的壓力油；PTFE活塞密封環對泄漏的滑油進一步密封；二者共同的密封作用使泄漏量控制在一定范圍且密封性能可靠。

旋轉分油器

旋轉分油器是機匣與旋轉軸之間重要傳輸油路的組成部分，通過O形密封圈實現旋轉分油器與機匣之間密封，通過與旋轉軸之間的間隙配合，實現減壓、限流密封；旋轉分油器選材、表面處理和配合間隙都對密封壓力滑油有較重要作用。

活塞密封環

活塞密封環安裝在旋轉軸上，活塞環外徑與旋轉分油器內徑接觸。活塞環采用PTFE密封環，該材料具有良好的耐磨性、耐介質性和耐高溫性，并具有一定的彈性，起到密封壓力滑油的作用。活塞密封環外圓柱面布置了密封溝槽，可有效減少摩擦面積，提高密封環耐磨性，進而提高密封環壽命。

活塞密封環密封原理如圖3所示，活塞密封環在滑油壓力作用下，密封環BC面與旋轉軸密封圈槽右側貼緊，形成第一道密封面，稱之為主密封面[1]；密封環依靠自身彈力使得密封環外圓柱AB面貼緊旋轉分油器內圓柱面[2-4]，同時由于密封環內圓柱CD面上的滑油壓力作用，使密封環向著徑向外側脹開，加強了密封環外圓柱AB面和旋轉分油器內圓柱面的貼緊力，形成第二道密封面，稱之為輔助密封面[5]。

圖3 活塞密封環密封原理

性能試驗

試驗原理

對耐壓旋轉動密封開展性能試驗，應模擬動密封實際工作狀態，動密封由變頻電動機驅動，系統壓力可通過調壓閥連續調整，滑油溫度通過油箱溫度控制，壓力傳感器和溫度傳感器用于監測動密封進油壓力和溫度，耐壓動密封試驗原理如圖4所示。

圖4 耐壓旋轉動密封試驗原理

動密封試驗器

按照耐壓旋轉動密封試驗原理，建立高性能耐壓動密封試驗器，如圖5所示，試驗器采用伺服電機驅動軸旋轉，可實現轉速調節；通過滑油泵循環供油，油路中設置溢流閥可用來調節油壓大小；油液升溫采用在油箱中設置加熱器的方式實現，油路中設置換熱器可實現油液溫度的精確控制；在靠近密封腔入口處設置壓力傳感器和溫度傳感器，用來測量油液壓力和工作溫度；油箱中設置油濾，滿足油液的清潔度要求。

圖5 耐壓旋轉動密封試驗器

試驗條件

試驗應具備的條件包括：試驗用油為DOD-PRF-85734A；供油量為0～40 L/min；供油溫度為20～130℃；供油壓力為0～3.0MPa；油濾過濾精度 ；環境溫度為室溫。

試驗結果

在環境溫度下，滑油入口溫度為80℃，工作轉速為6000r/min，滑油壓力分別為0.425MPa、1.0MPa和1.8MPa，進行耐壓動密封性能試驗及泄漏量計算，結果如表1所示。

表1 耐壓旋轉動密封試驗及計算結果

結果分析

通過對比分析研究耐壓旋轉動密封在安裝活塞環密封和不安裝活塞環密封情況下的泄漏量情況，如圖6所示，進行評估不同結構的高PV值耐壓旋轉動密封性能。

從圖6中可以看出，高PV值耐壓旋轉動密封在工作狀態下能夠密封1.8MPa下滑油壓力，能夠承受不低于25MPa·m/s的PV值，最大為45MPa·m/s；耐壓旋轉動密封泄漏量雖然不能做到理論上的零泄漏，但是泄漏量不高于60mL/min，為減速器進油總量（33.0～40.8L/min）的0.07%～0.18%，泄漏量較小，能夠滿足傳動系統使用要求；同時高PV值耐壓旋轉動密封比僅安裝旋轉分油器的密封性能好很多，說明該高PV值耐壓旋轉動密封具有良好的密封性能，能夠解決高速共軸對轉直升機動靜部件之間壓力滑油傳輸與密封問題。

圖6 不同結構對動密封泄漏量的影響

密封性能影響因素試驗

在動密封結構尺寸和滑油類型一定的情況下，工作轉速、滑油壓力和滑油溫度是影響耐壓旋轉動密封性能的主要因素。

工作轉速對性能影響

在滑油壓力、滑油溫度（80℃）不變的條件下，通過改變伺服電機轉速從而改變耐壓旋轉動密封工作轉速，試驗工作轉速對耐壓旋轉動密封泄漏量的影響。試驗中按照轉速1000r/min、3000r/min、3600r/min、6000r/min、7200r/min等，進行動密封性能試驗，結果如圖7所示。

圖7 工作轉速對動密封泄漏量的影響

從試驗結果可以明顯看出：動密封泄漏量與工作轉速總體呈正比，工作轉速越高，泄漏量越大；同時在轉速1000r/min、壓力≥1.0MPa時，動密封泄漏量相對3000r/min時較大一點，這與低工作轉速時的密封流道內部流場有關，密封流道中由轉速引起的滑油周向運動較弱而壓力引起的滑油軸向運動相對較強，二者相互作用，造成低速時泄漏量相對較大。

滑油壓力對性能影響

在工作轉速、滑油溫度（80℃）不變的條件下，通過溢流閥調節系統滑油壓力，試驗滑油壓力對耐壓旋轉動密封泄漏量的影響，其中滑油壓力分別為0.425MPa、1.0MPa、1.8MPa，試驗結果如圖8所示。從試驗結果明顯可以看出：動密封泄漏量與滑油壓力呈正線性關系，滑油壓力越大，泄漏量越大。

圖8 滑油壓力對動密封泄漏量的影響

滑油溫度對性能影響

在工作轉速、滑油壓力（1.0MPa）不變的條件下，通過加熱器和換熱器調節系統滑油溫度，試驗滑油溫度對耐壓旋轉動密封泄漏量的影響，試驗結果如圖9所示。從試驗結果明顯可以看出：動密封泄漏量與滑油溫度呈正線性關系，滑油溫度越高，泄漏量越大。

圖9 滑油溫度對動密封泄漏量的影響

結束語

通過耐壓動密封性能試驗，并對耐壓動密封影響因素（包括工作轉速、滑油壓力、滑油溫度）進行試驗，可以得到：在各種工作狀態下，高PV值耐壓旋轉動密封能夠密封1.8MPa下滑油壓力；高PV值耐壓旋轉動密封能夠承受不低于25MPa·m/s的PV值，最大為45MPa·m/s；動密封泄漏量與工作轉速、滑油壓力、滑油溫度總體呈正比關系，工作轉速、滑油壓力及滑油溫度越高，泄漏量越大；在運轉工況下，滑油壓力與滑油溫度對動密封泄漏量影響相對較大。該型組合耐壓旋轉動密封能夠滿足高速共軸對轉直升機動靜部件間壓力滑油傳輸與密封要求。