■ 楊愛華 黎向宇 尹美 / 中國航發(fā)動研所

隨著直升機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)、航程、續(xù)航時間等要求的不斷提高，高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)因續(xù)航能力強(qiáng)而備受青睞。耐壓動密封可以解決該型直升機(jī)傳動系統(tǒng)動靜部件間壓力油傳輸及密封問題，具有耐壓性強(qiáng)、密封性好、可靠性高等特點(diǎn)。

壓力與速度的乘積，即PV值，是衡量密封性能的重要指標(biāo)。高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)因嵌套雙旋翼結(jié)構(gòu)需要解決動靜部件之間壓力滑油傳輸及密封問題，而常規(guī)定速單旋翼直升機(jī)無此問題。常規(guī)直升機(jī)傳動系統(tǒng)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(jī)械密封），不能滿足高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)對耐壓動密封的性能要求。國內(nèi)直升機(jī)傳動系統(tǒng)領(lǐng)域高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封研究相對較弱，未見有相關(guān)高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封在直升機(jī)傳動系統(tǒng)上應(yīng)用。開展高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封技術(shù)研究，可以突破高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)研制技術(shù)瓶頸，滿足高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)的要求。

耐壓旋轉(zhuǎn)動密封設(shè)計要求

高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)耐壓旋轉(zhuǎn)動密封布置于減速器機(jī)匣內(nèi)部，且其泄漏只能發(fā)生在減速器內(nèi)部，因此允許耐壓旋轉(zhuǎn)動密封存在一定的泄漏。考慮耐壓旋轉(zhuǎn)動密封實際工況，耐壓動密封的主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)應(yīng)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(jī)傳動系統(tǒng)動靜部件壓力油傳輸及密封問題，設(shè)計了一種新型的高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封，創(chuàng)新性地采用旋轉(zhuǎn)分油器和聚四氟乙烯（PTFE）活塞密封環(huán)組合密封，耐壓旋轉(zhuǎn)組合動密封在減速器內(nèi)的布置如圖1所示。

圖1 耐壓旋轉(zhuǎn)組合動密封在減速器內(nèi)的布置示意

耐壓旋轉(zhuǎn)動密封工作原理

本項目設(shè)計的耐壓旋轉(zhuǎn)動密封結(jié)構(gòu)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(diǎn)，可靠性高、密封性能好、泄漏量小，活塞環(huán)式耐壓旋轉(zhuǎn)組合動密封工作原理如圖2所示，旋轉(zhuǎn)分油器與旋轉(zhuǎn)軸配合，通過設(shè)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(zhuǎn)分油器與旋轉(zhuǎn)軸之間布置PTFE活塞密封環(huán)，活塞密封環(huán)具有一定的彈性，通過主、輔密封面進(jìn)一步對壓力滑油進(jìn)行密封，形成第二道密封。

圖2 活塞環(huán)式耐壓旋轉(zhuǎn)組合動密封工作原理

耐壓旋轉(zhuǎn)動密封結(jié)構(gòu)

耐壓旋轉(zhuǎn)動密封結(jié)構(gòu)為組合動密封，由旋轉(zhuǎn)分油器和PTFE活塞密封環(huán)兩部分組合而成，旋轉(zhuǎn)分油器與旋轉(zhuǎn)軸配合，可密封一定的壓力油；PTFE活塞密封環(huán)對泄漏的滑油進(jìn)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(zhuǎn)分油器

旋轉(zhuǎn)分油器是機(jī)匣與旋轉(zhuǎn)軸之間重要傳輸油路的組成部分，通過O形密封圈實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分油器與機(jī)匣之間密封，通過與旋轉(zhuǎn)軸之間的間隙配合，實現(xiàn)減壓、限流密封；旋轉(zhuǎn)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(huán)

活塞密封環(huán)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，活塞環(huán)外徑與旋轉(zhuǎn)分油器內(nèi)徑接觸?；钊h(huán)采用PTFE密封環(huán)，該材料具有良好的耐磨性、耐介質(zhì)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?；钊芊猸h(huán)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(huán)耐磨性，進(jìn)而提高密封環(huán)壽命。

活塞密封環(huán)密封原理如圖3所示，活塞密封環(huán)在滑油壓力作用下，密封環(huán)BC面與旋轉(zhuǎn)軸密封圈槽右側(cè)貼緊，形成第一道密封面，稱之為主密封面[1]；密封環(huán)依靠自身彈力使得密封環(huán)外圓柱AB面貼緊旋轉(zhuǎn)分油器內(nèi)圓柱面[2-4]，同時由于密封環(huán)內(nèi)圓柱CD面上的滑油壓力作用，使密封環(huán)向著徑向外側(cè)脹開，加強(qiáng)了密封環(huán)外圓柱AB面和旋轉(zhuǎn)分油器內(nèi)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(huán)密封原理

性能試驗

試驗原理

對耐壓旋轉(zhuǎn)動密封開展性能試驗，應(yīng)模擬動密封實際工作狀態(tài)，動密封由變頻電動機(jī)驅(qū)動，系統(tǒng)壓力可通過調(diào)壓閥連續(xù)調(diào)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(jiān)測動密封進(jìn)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(zhuǎn)動密封試驗原理

動密封試驗器

按照耐壓旋轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；通過滑油泵循環(huán)供油，油路中設(shè)置溢流閥可用來調(diào)節(jié)油壓大??；油液升溫采用在油箱中設(shè)置加熱器的方式實現(xiàn)，油路中設(shè)置換熱器可實現(xiàn)油液溫度的精確控制；在靠近密封腔入口處設(shè)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(shè)置油濾，滿足油液的清潔度要求。

圖5 耐壓旋轉(zhuǎn)動密封試驗器

試驗條件

試驗應(yīng)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(huán)境溫度為室溫。

試驗結(jié)果

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

表1 耐壓旋轉(zhuǎn)動密封試驗及計算結(jié)果

結(jié)果分析

通過對比分析研究耐壓旋轉(zhuǎn)動密封在安裝活塞環(huán)密封和不安裝活塞環(huán)密封情況下的泄漏量情況，如圖6所示，進(jìn)行評估不同結(jié)構(gòu)的高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封性能。

從圖6中可以看出，高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封在工作狀態(tài)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(zhuǎn)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(jìn)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(tǒng)使用要求；同時高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封比僅安裝旋轉(zhuǎn)分油器的密封性能好很多，說明該高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封具有良好的密封性能，能夠解決高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)動靜部件之間壓力滑油傳輸與密封問題。

圖6 不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸和滑油類型一定的情況下，工作轉(zhuǎn)速、滑油壓力和滑油溫度是影響耐壓旋轉(zhuǎn)動密封性能的主要因素。

工作轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速從而改變耐壓旋轉(zhuǎn)動密封工作轉(zhuǎn)速，試驗工作轉(zhuǎn)速對耐壓旋轉(zhuǎn)動密封泄漏量的影響。試驗中按照轉(zhuǎn)速1000r/min、3000r/min、3600r/min、6000r/min、7200r/min等，進(jìn)行動密封性能試驗，結(jié)果如圖7所示。

圖7 工作轉(zhuǎn)速對動密封泄漏量的影響

從試驗結(jié)果可以明顯看出：動密封泄漏量與工作轉(zhuǎn)速總體呈正比，工作轉(zhuǎn)速越高，泄漏量越大；同時在轉(zhuǎn)速1000r/min、壓力≥1.0MPa時，動密封泄漏量相對3000r/min時較大一點(diǎn)，這與低工作轉(zhuǎn)速時的密封流道內(nèi)部流場有關(guān)，密封流道中由轉(zhuǎn)速引起的滑油周向運(yùn)動較弱而壓力引起的滑油軸向運(yùn)動相對較強(qiáng)，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(zhuǎn)速、滑油溫度（80℃）不變的條件下，通過溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)滑油壓力，試驗滑油壓力對耐壓旋轉(zhuǎn)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(jié)果如圖8所示。從試驗結(jié)果明顯可以看出：動密封泄漏量與滑油壓力呈正線性關(guān)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(zhuǎn)速、滑油壓力（1.0MPa）不變的條件下，通過加熱器和換熱器調(diào)節(jié)系統(tǒng)滑油溫度，試驗滑油溫度對耐壓旋轉(zhuǎn)動密封泄漏量的影響，試驗結(jié)果如圖9所示。從試驗結(jié)果明顯可以看出：動密封泄漏量與滑油溫度呈正線性關(guān)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(jié)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(zhuǎn)速、滑油壓力、滑油溫度）進(jìn)行試驗，可以得到：在各種工作狀態(tài)下，高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)動密封能夠密封1.8MPa下滑油壓力；高PV值耐壓旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、滑油壓力、滑油溫度總體呈正比關(guān)系，工作轉(zhuǎn)速、滑油壓力及滑油溫度越高，泄漏量越大；在運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動密封能夠滿足高速共軸對轉(zhuǎn)直升機(jī)動靜部件間壓力滑油傳輸與密封要求。