密封件受力分析：

这里主要分析M点与D点密封件接触时（实际处理中，可能会尽量避免二者直接接触），以及它们在个别特殊位置时的受力情况，包括受力大小、方向、变化趋势等（这里不探讨人为控制密封件的有关作用力），目的是方便了解密封件的磨损及控制情况。

不过，高速时密封件离心力的影响不可忽视，包括对密封效果、密封件控制、密封件挤压、密封件卡槽磨损、以及对定子型面的影响等（参见“密封件控制”），这里不详细分析，下面以M1、D1、D2点密封件受力为例做简要分析（其它各点可依此参考）。

1.M1点密封件受力

M1点密封件与D1点密封件侧向接触时，会额外受到D1点密封件的挤压力，以及来自D1点密封件的摩擦力（作用时间极短），二者均会促使其回缩，前者会促使其向左侧卡槽挤压，后者会促使其向右侧卡槽挤压，可部分抵消侧向挤压，一定程度减轻密封件对其卡槽的挤压、磨损（滚针）。

M1点密封件接触行星辊凹面时（图3，第23曲线对应的曲面），会额外受到来自行星辊凹面的挤压力和摩擦力（图17），位置不同、受力不同，挤压力方向均指向行星辊凹面曲线的圆心，摩擦力方向是行星辊凹面曲线接触点的切线方向（朝右），两者均会促使M1点密封件回缩。

M1点密封件位于行星辊凹面右侧时，挤压力和摩擦力对密封件卡槽的侧向作用力方向相反，部分抵消，可减轻其对卡槽的挤压、磨损；M1点密封件位于行星辊凹面左侧时，挤压力和摩擦力对密封件卡槽的侧向作用力均朝右，这会加重其对卡槽右侧的挤压、磨损。

2.D1点密封件受力

D1点密封件与M1点密封件接触时，会额外受到促使其回缩的挤压力和摩擦力（作用时间极短），两者在卡槽侧壁的作用方向相反，可部分抵消。

D1点密封件接触定子内壁曲面时（图3，第16曲线对应的曲面），挤压力指向定子内壁曲面对应曲线（第16曲线）的圆心，摩擦力方向在接触点与该曲线相切（朝左）：

D1点密封件靠M1点侧时（图18），挤压力会挤压D1点密封件卡槽右侧壁并促使去回缩，部分抵消摩擦力对左侧壁的挤压；D1点密封件靠B1点侧时，挤压力会挤压D1点密封件卡槽左侧壁并促使其回缩（摩擦力促使其外移），叠加摩擦力对左侧壁的挤压。

3.D2点密封件受力

M1点密封件从行星辊凹面侧向过渡到D2点密封件过程中，D2点密封件会额外受到促使其回缩的挤压力和促使其外移的摩擦力（作用时间极短），两个力均会挤压卡槽左侧；

M1点密封件从D2点密封件侧向过渡到行星辊凹面过程中，D2点密封件会额外受到促使其回缩并挤压卡槽右侧的挤压力、以及挤压卡槽左侧的摩擦力，前者对卡槽右侧的挤压是主要的；

D2点密封件接触定子内壁曲面时（图3，第21曲线对应的曲面）：在靠B2点侧，挤压力会挤压D2点密封件卡槽右侧壁并促使去回缩，部分抵消摩擦力对左侧壁的挤压；在靠M1点侧，挤压力会挤压D1点密封件卡槽左侧壁并促使去回缩，叠加摩擦力对左侧壁的挤压。

4.行星辊圆弧面密封件受力

对于滚针、密封片、小型密封块，行星辊圆弧面密封件接触定子圆弧形内壁底部时（第17、20曲线对应曲面，参见图3、4、13），其密封件受到的挤压力（包括离心力）指向转子轴心及行星辊轴心，理论上垂直于接触面的切线方向，不会对密封件卡槽侧壁形成挤压，其垂直于卡槽侧壁面的摩擦力（切线方向）会对卡槽左侧壁产生一定挤压，不过作用时间极短，磨损几乎可以忽略。

对于较大型密封块，挤压力及摩擦力对卡槽侧壁的挤压、磨损不可忽视。

密封件控制

密封件控制是指为确保密封件通过性、密封压力、良好润滑（详见“密封件润滑”），对密封件所进行的回缩或外移等相应控制，在控制方式上包括工质压差、润滑油液压、弹簧压力、离心力等（相对于定子内壁面，行星辊密封件离心力与密封压力的方向一致，这里仅粗略探讨）。

行星辊密封件的常态分为“常凸”（凸出在卡槽外面）、“常凹”（凹进在卡槽里面），对于M点密封件，只能采用“常凸”状态，以确保其随时与转子圆周面接触密封。

对于行星辊圆弧面（含D点）密封件，两种常态均可采用，各有利弊：

常凹状态：不需过多修正转子腔槽型线，但密封件回缩控制频繁、响应速度受限，若控制响应不及时，则会发生碰撞，高速时的响应速度受限，可靠性尤为关键；

常凸状态：可直接利用密封件自然的接触压力及时保持密封状态，响应迅速，不需额外增设机构，只需对转子腔槽型线做适当修正，可靠确保密封件与G点不发生碰撞（若无特别说明，后面均以常凸状态进行探讨），但修正后的转子腔槽型线，不得影响M1点密封件从D2点密封件到G2点的平滑过渡。

1.M点密封件控制

M点密封件控制较简单，其接触面受工质对其反向挤压，密封压力会随工质压差增大而减小，可直接从密封件卡槽入口直接引入工质压差以平衡密封压力。必要时，可在M点附近高压侧适当位置开设直通卡槽的“压力平衡孔”直接或间接调控压差，孔口大小可随压差成正比变化、或卡槽内密封件受压面积适度大于其密封面受力面积，以确保密封压力保持在合理范围。

对于工作机，为进一步降低M1点、D2点两密封件之间的挤压强度（确保平滑过渡），必要时可使压力平衡孔与M1点保持适度横向距离（短暂失效），通过“密闭空间”的工质压差降低M1点密封压力，同时，这也为原动机D2点密封件控制提供了方便（详见“D点密封件控制”）。

2.D点密封件控制

对D点密封件的控制，主要控制其在卡槽内的移动，以确保其通过性、密封压力，控制方式包括：

液压控制：通过润滑油直接控制D点密封件在其卡槽内的移动，即在行星辊端面密封环上开设对应的液压控制孔（图23），该孔转到对应位置即与转子腔槽侧壁的润滑油孔接通以实施控制；

工质压差控制：通过密封件卡槽入口或特定孔道，利用工质压差直接或间接控制密封件移动。

密封压力受弹簧压力、离心力、摩擦力、工质压差等众多因素影响，其中离心力、工质压差对D点密封压力的影响：

对于D1点密封件，其在定子内壁曲面（图3：第16曲线对应曲面）任意点的密封压力方向，均经过该曲面对应曲线的圆心（图19）。在不考虑工质压差、摩擦力等有关情况下（具体应用中必须考虑），该曲线起点（M1点）、θ点（图20：θ——密封件移动方向与横坐标轴的夹角）、B1点的密封压力分别为（假设三个点的离心力f、弹簧压力FT分别相同）：

M1点密封压力：FM1=f+FT/cos（φM1）

离心力与密封件移动方向一致（θ点）时的密封压力：Fθ=f+FT

B1点密封压力：FB1=f+FT/cos（φB1）

不难看出，密封压力在M1点、B1点时较高、θ点最低，与工质压差的单向变化趋势不一致。不过，D1点密封件从M1点到B1点过程中：

对于原动机，其密封点高压侧（左侧）的工质受力面积逐渐增大，工质压差逐渐减小，对于工作机，其密封点高压侧（右侧）的工质受力面积逐渐减小，工质压差逐渐增大，这反映出密封件受到的工质压力变化对密封压力变化影响不大，密封压力变化主要受密封件挤压影响（包括弹簧压力及液压力）。

必要时，还可在D1点密封件卡槽高压侧对应的定子及转子侧壁适当位置，进一步开设直通卡槽适当位置的“导压槽孔”（图21），通过工质压差直接或间接控制其回缩、或外移。

对于D2点密封件，其密封压力变化趋势与D1点密封件相似。为确保通过性，必要时，可利用D2点与M1点之间“密闭空间”（图10）里的工质压差快速升高的特性，直接或间接控制D2点密封件回缩、或外移（同时还会促使M1点密封件回缩或外移），甚至还可在适当位置开设“导压槽孔”（图22）以增强控制能力。

3.行星辊圆弧面密封件控制

在定子内壁右侧B1点至B4这段圆弧面，由行星辊右侧圆弧面D1点至D4点之间密封件负责密封，密封压力、密封件移动、以及离心力方向均通过行星辊轴心及转子轴心，即与密封件卡槽方向一致（理论上），可直接利用工质压差控制密封压力。

在转子腔槽内，工质压差对密封的影响大大减弱，且有多个密封件同时参与密封，各密封件的密封压力可适度降低，弹簧压力、离心力、腔槽底部型线修正等均能满足密封压力要求。

在密封件通过性方面，无论行星辊圆弧面密封件常态为“常凸”或“常凹”，均可通过行星辊端面的“液压控制孔”（图23）对其进行时时控制，即密封件处于非接触状态时，控制其回缩或外移，以顺利通过G点并进入转子腔槽。

密封件润滑

密封件润滑主要是针对M点、D点、行星辊圆弧面密封件处于密封状态时（包括转子腔槽）的润滑。若采用滚针，M点密封件润滑油直接从定子润滑油道进入滚针油槽，通过辅助滚针或滚针护垫上的“油槽”给密封滚针涂抹一层极薄的润滑油（可大大降低润滑油消耗量），而行星辊密封件润滑油则从行星辊端面的“润滑油入口”（图15、16）进入滚针“油槽”，然后再从“润滑油出口”进入循环（兼具冷却作用）。滚针润滑相对较简单，后面不再探讨。

若采用其他密封件（密封片、密封块、密封角等），最简单有效的润滑方式是在转子G1点、G3点附近圆周面开设润滑油喷口（单向，后同），直接给定子内壁底部喷射润滑油，其他润滑方式主要有：

挤压润滑：通过密封件受到挤压回缩接通润滑油通道，响应迅速，可靠性高，但密封件回缩位移量极小，不便直接用于开启润滑油通道，可能需要利用液压放大后的位移量去控制润滑油通道。

液压润滑：行星辊圆弧面（含D点）密封件即将处于密封状态时，行星辊端面密封环上特定对应位置的“液压控制孔”（图23）与转子腔槽侧壁上的润滑油孔道接通，可准确响应控制。

必要时，可通过设置两个“液压控制孔”，以便切换接通行星辊圆弧面前进侧的润滑油喷口。

挤压润滑、液压润滑两种方式均需在密封件前进侧旁适当位置开设润滑油喷口，实现准确、微距、微量喷射润滑油，不过结构相对较复杂、喷射量不易准确把控。

涂抹润滑：行星辊圆弧面（包括D点）密封件经过转子腔槽时，通过转子腔槽底部特定位置的润滑油喷口（需在行星辊端面与转子腔槽侧壁之间适当位置设置启动机关）、或涂抹滚针（密封件挤压开启）涂抹适量润滑油，既可润滑转子腔槽底部，还可用于润滑定子曲面（D点）及圆弧面，该润滑方式可省去行星辊上较复杂的润滑机制，控制简单。

在润滑方式的控制方面，必要时可充分利用摩擦力方向、离心力方向进行控制：

对于摩擦力方向，其始终与行星辊密封件运动方向相反，而润滑油又必须喷射在密封件前进方向侧，二者刚好反向对应。不过，对这种方向信号的利用不易实施，难度较大。

对于离心力方向，行星辊圆弧面上各密封件进入转子腔槽后，其离心力会在不同位置、不同程度促使密封件回缩。离心力方向在密封件回缩移动方向附近时，离心力回缩影响接近最大，如弹簧压力合适，此时可接通润滑通道以润滑转子腔槽，可大大简化润滑油控制机制。不过，离心力大小受转速影响较大，应用环境受限。

另外，必要时还可利用行星辊上密封件所受离心力在上、下、左、右的方向性变化特性（基本对应了密封件在定子内壁、转子腔槽的接触密封关系），通过每个密封件对应的离心力“方向响应器”及时接通某个密封件前进方向的润滑油喷口。“方向响应器”的结构虽简单，但较占用空间位置，仅适用于大直径的结构。

1.M点密封件润滑

M点密封件可采用滚针、密封片，滚针的润滑随时接通，接触即可润滑，不需额外控制，密封片需采用挤压润滑、液压润滑：

对于普通流体机械，润滑油喷口开设在进口侧M点旁边、必要时可开设在密封片卡槽内（直接喷射到转子圆周面），尽量缩短喷射距离，M点密封件长期处于密封状态，不需额外过多控制。若需控制润滑油量，可利用工质压差直接控制。

对于转子发动机，M1点密封件位于燃烧室侧，高温高压，压差极大，对密封、润滑要求极高，润滑油可在M2点进口侧喷射到转子圆周面（润滑M1点密封件），经过M1点后润滑油很快即被高温燃气破坏。

M2点密封件位于进出口侧，进口侧低温低压，方便喷射润滑油以润滑M1点密封件，出口侧压差低，对密封要求不高，但高温，不方便直接喷射润滑油到转子圆周面（宜采用滚针）。为确保M2点密封件的良好润滑，需在出口侧M2点密封件卡槽内或其附近开设润滑油喷口，必要可在喷口附近适当位置增设高压隔热气帘（耗气量极小），保护喷出的润滑油不接触高温废气。

2.行星辊密封件润滑：

行星辊润滑包括对行星辊圆弧面（包括D点）、端面密封件的润滑，采用密封片、密封块、密封角时，在行星辊圆弧面或密封件卡槽内适当位置开设有润滑油喷口，可采用挤压润滑、液压润滑、或涂抹润滑（被动润滑）。

行星辊圆弧面（包括D点）密封件润滑：

行星辊圆弧面润滑包括行星辊圆弧面与定子内壁面之间的润滑，以及行星辊圆弧面与转子腔槽底部之间的润滑，在主动润滑方面（通过行星辊主动提供润滑），可采用液压润滑，或利用转子腔槽密封修正型线挤压润滑、或者利用离心力方向变化提供挤压润滑。

行星辊端面密封件润滑：

行星辊端面润滑包括行星辊端面与转子腔槽侧壁面之间的润滑、与工作腔定子侧壁面之间的润滑、以及行星辊圆弧面密封件两端与齿形密封条之间的润滑，可能需多道密封（图23），行星辊润滑油通道（明道）经过此处，润滑方便。

另外，行星辊端面各点轨迹交叉重叠较多，即最外侧密封件与内侧润滑油道的轨迹重叠较多，这有利于最外侧密封件的润滑。

3.转子腔槽润滑

转子腔槽润滑实际就是行星辊圆弧面与转子腔槽底部之间的润滑，在主动润滑方面（通过转子腔槽主动提供润滑），可在转子腔槽底部适当位置设置润滑油喷射口或者润滑油涂抹滚针，通过挤压润滑、液压润滑、或涂抹润滑等方式，直接对行星辊圆弧面密封件喷射、涂抹润滑油。

总结：

从上面的粗略探讨不难发现，该结构在密封润滑方面有诸多选择方案，并不存在难以实施的技术难题，充分利用其在结构、运行原理方面的特性，大多数使用环境均可实现较理想的密封润滑。虽其密封件较多、看似复杂，但换来的却是磨损被分摊到多个密封件，可靠性大大增强。

若采用多个行星辊（图24、25，适宜大直径结构），行星辊圆弧面更少，密封、润滑更方便。

在空气压缩方面，若作为压缩机后级与透平式结构联合使用，可大大减少压缩机级数，轻易实现大流量、高压比，效率可明显提升。

本文由压缩机网：李松原创，欢迎

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