梅尔非接触式间隙密封旋转接头动力学建模与分析

梅尔旋转接头

旋转接头是完成旋转机械在运转状态下供气、供油或供水等功能的主要部件，广泛应用于电力、机制造、地质、军工等国民经济的各个领域。目前旋转接头大都采用接触式密封设计，普遍存在摩擦阻力大、寿命短以及容易产生密封件磨损颗粒进而污染设备运行环境的问题。

非接触式间隙密封技术是指由于流体静压或动压作用，在密封端面间充满一层流体膜迫使密封端面彼此分离，而不存在硬性固相接触的密封方式。采用间隙密封技术则能在理论上减少金属之间的黏着磨损，显著提高旋转接头的使用寿命。

由于非接触式间隙密封旋转接头传输的介质本身具有一定的压力，并且能持续传输，因此可利用传输介质在密封界面形成的静压和动压效应实现对传输介质本身的非接触式密封，密封油膜一方面提供一定的承载力，另一方面阻止或减小流体泄露。非接触式间隙密封技术涉及结构、流体、传热、旋转运动等多个环节和因素，同时结构尺度和油膜尺度相差几个数量级，多场耦合和跨尺度问题给研究和设计工作带来相当大的挑战。

梅尔技术考虑非线性油膜力、转子旋转运动和浮环振动，建立了非接触式间隙密封旋转接头系统动力学模型，并进行了仿真分析。

1.间隙密封旋转接头原理和结构

一种非接触式间隙密封旋转接头的具体形式如图 1 所示，其工作原理是：油介质进入通道内，同时充 满浮环与外壳之间的间隙，从而形成对浮环外环面的 指向圆心的径向压力，同时油被密封圈封住不往外泄露；在浮环与转子之间设计能产生密封油膜的小间 隙，油介质在旋转接头运转过程中会渗入间隙内并产 生承载油膜，从而形成对浮环内环面的背离圆心的径向压力。浮环在内外环面油膜压力和密封圈弹性支撑作用下受力平衡，转子在油膜力和不平衡力作用下 受力平衡，浮环通过油膜压力和密封圈支撑力的动态 调整与转子保持同心，而介质则被油膜封住不外泄， 如图 2 所示。

图 1 间隙密封旋转接头结构

图 2 间隙密封旋转接头工作原理

2.动力学建模

建立包含转子、浮环、密封圈和油膜在内的非接 触式间隙密封旋转接头物理模型，如图 3 所示。

图 3 旋转接头物理模型

假设转子为刚体，且受到自身重力、不平衡力和油膜力的共同作用。假设浮环为刚体，且受到自身重力、油膜力和密封圈支撑力的作用，浮环与壳体之间的密封圈等效为弹簧阻尼器。

3.结论

梅尔技术建立了考虑非线性油膜力、转子旋转运动和浮环振动在内的系统动力学模型，并通过数值仿真分 析了油膜间隙、转速、密封圈刚度等因素对转子和浮 环运动状态的影响规律，获得了对旋转接头设计和关 键参数确定具有指导意义的结论。

1）不同间隙下转子的运动形态和幅值不同，间隙越大转子运动幅值越大，转子与浮环的相对运动位移也越大，应选择较小的间隙以控制转子的运动幅值和介质泄漏量。

2）转子和浮环的运动幅值随着转速的升高先增大后减小，这一规律为旋转接头工作转速设计提供了理论依据。

3）转子和浮环的运动幅值随着密封圈刚度的增大先增大后减小，旋转接头设计上应选择合适的密封圈刚度以减小转子和浮环的运动幅值。