流体机械

加注管道自适应旋转装置设计与应用

王杰 , 钟文安 , 周熙然 , 刘良祥 , 苏泉圣

流体机械 | 设计计算 2026,54(2): 47-57

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (2) : 47 -57

加注管道自适应旋转装置设计与应用

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王杰（1992），男，工程师，硕士，主要研究方向为航天发射地面设备技术，通信地址：571300海南省文昌市疏港路799号西昌卫星发射中心，E-mail：1023325020@qq.com。

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王杰, 钟文安, 周熙然, 刘良祥, 苏泉圣

作者信息

西昌卫星发射中心，海南文昌 571300

作者简介:

Design and application of adaptive rotation device for fueling pipeline

Jie WANG, Wenan ZHONG, Xirang ZHOU, Liangxiang LIU, Quansheng SU

Affiliations

Xichang Satellite Launch Center （XSLC），Wenchang 571300，China

出版时间: 2026-02-28 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.006

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摘要

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为解决现有加注软管连接方式存在可靠性低、不灵活等问题，研发了一套回转管路自适应旋转装置，建立了适用于航天燃料介质的旋转动密封方案，解决了大口径多通道柱面密封旋转装置运行过程中的动态误差补偿问题，开展了结构运动、外力冲刷和内流场仿真分析，结合服役工况设计并实施了装置静动态试验。结果表明，在0°~180°全角度开合回转范围内均未发现干涉情况，受燃气流场冲刷时的装置结构安全系数为5~10，内流场双通道最大流速均不大于4.5 m/s，自适应旋转装置结构强度、内部流体速度等参数均能满足标准指标要求；通过阀门开度调节，系统可以实现300~1 500 L/min全流量工况调整，其中，流量为1 500 L/min、泵前压力为0.2 MPa时，装置前后端的压差为0.207 MPa，燃料过流时的局部压降变化不影响泵的运行工况点始终处于高效工作段，可成功应用于现有加注管道接口管路建设和改进。研究可为应对行业同类问题提供新的解决方案。

关键词

管接头 / 回转管道 / 旋转接头 / 回转动密封 / 柱面密封 / 误差补偿

Abstract

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To address the issues of low reliability and poor flexibility associated with existing refueling hose connection schemes，a set of adaptive rotating devices for rotary pipelines was developed.A rotary dynamic sealing scheme suitable for aerospace fuel media was established，which solves the dynamic error compensation problem encountered during the operation of large‑diameter multi‑channel cylindrical sealing rotary devices.Simulation analyses were performed on structural motion，external flow erosion，and internal flow fields，and static and dynamic tests of the device were designed and conducted according to actual service conditions.The results show that no interference was observed within the full 0°~180° rotational range.The structural safety factor of the device under gas flow erosion ranges from 5 to 10，and the maximum flow velocity in both channels of the internal flow field does not exceed 4.5 m/s.Parameters such as the structural strength of the adaptive rotating device and internal flow velocity all meet the specified standard requirements.By adjusting the valve opening，the system can realize full‑flow regulation from 300 L/min to 1 500 L/min.At a flow rate of 1 500 L/min and an upstream pump pressure of 0.2 MPa，the pressure difference across the device is 0.207 MPa.The local pressure drop variation during fuel passage does not affect the pump's operating point，which remains within the high‑efficiency region.The device can be successfully applied to the construction and upgrading of existing refueling pipeline interface systems.This study can provide a new solution for similar problems in the industry.

Key words

pipe fittings / rotary pipes / rotary joints / rotary seals / cylindrical seals / error compensation

引用本文

王杰, 钟文安, 周熙然, 刘良祥, 苏泉圣. 加注管道自适应旋转装置设计与应用. 流体机械, 2026 , 54 (2) : 47 -57 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.006

Jie WANG, Wenan ZHONG, Xirang ZHOU, Liangxiang LIU, Quansheng SU. Design and application of adaptive rotation device for fueling pipeline[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (2) : 47 -57 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.006

正文

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1　引言

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燃料加注是火箭在发射区临射前的关键工作，直接影响发射任务成败。推进剂加注输送管道是发射场加注系统的重要设备，现有固定端至回转活动端连接的输送管道普遍使用了固定式软管方式，这类管路口径大、数量多、质量重，操作灵活性差、运行安全性低，在每次回转端设备动作前均需重新进行软管拆装、管路吹除气检置换等工作，工作耗时长、可靠性低，严重影响加注发射流程优化和应急处置效率。

旋转接头是液压行业普遍使用的一类自适应旋转装置，在GB/T 41069—2021《旋转接头名词术语》中将其定义为：“将流体介质由固定管道输送到旋转或摆转一个角度的管道、设备中去的流体动密封装置”。其回转角度范围广、无限制，设备组成简单、行业标准化程度高，工程上广泛应用于精密机床液压夹具、轧钢设备中的热轧宽带钢卷取机及冷轧带钢生产线上的开卷机、卷取机等，是目前跨行业领域应用最多的产品之一。国家和行业相关标准规范主要有GB/T 41069—2021，JB/T 8725—2013《旋转接头》，JB/T 13968—2020《旋转接头的型式、主要尺寸、材料和识别标志》，JB/T 14225—2022《高温旋转接头安全技术规范》等。

旋转接头最早于1931年由美国Johnson公司研发成功并生产，发展至今，其应用范围逐渐渗入到航空、造纸业、包装与食品机械、石油化工、井下钻具等三十多个行业的近千种设备，输送介质涵盖了水、蒸汽、导热油、液压油、压缩空气和真空等，是跨行业领域应用最多的产品之一^［1］。SINGH等^［2］将旋转接头应用于轮胎压缩空气在线充气系统，实现了车轮旋转过程中的在线补气功能。HIRANI等^［3］使用数值模拟和试验方法对造纸工业中广泛使用的蒸汽旋转接头碳石墨密封件的动态特性开展研究，提出了蒸汽旋转接头浮动密封环的改进设计方案。ZHANG等^［4］通过开展航空液压系统旋转接头可靠性试验和有限元分析，对航空液压旋转接头的潜在失效模式和失效机理开展研究，分析了配合间隙对航空液压旋转接头可靠性的影响，为旋转接头的维护和更换策略提供了依据。FELDER等^［5］对高温超导（HTS）旋转机械的冷却方案开展研究，研发了一款用于液氮和液氖流动的超低温旋转接头，消除了外部热量侵入的影响，确保了系统的安全稳定运行。

国内对旋转接头的研究起步较晚，我国于20世纪80年代开始成套引进，随着机械科学技术的发展和制造业水平的提高，国内部分头部企业通过广泛学习和借鉴国外先进技术，使得旋转接头在各行业领域取得了大规模应用和创新发展，减少了对进口旋转接头的依赖^［6-12］。为解决早期平面密封旋转接头摩擦生热大、密封寿命短、抗疲劳性能差的问题，朱斌等^［13］对该类旋转接头的动静密封结构和密封材料进行了优化设计，结构上降低动环质量、提高加工精度，材料方面采用了以PEEK为主体的多元高分子复合材料制作蝶形密封环，通过产品应用工况条件下的模拟试验研究及用户的使用考核，验证了新型旋转接头结构设计的合理性。赵秀栩等^［14］采用正交试验与Fluent流体仿真相结合的方法，研究了密封结构参数对液压旋转接头密封性能的影响规律，结果表明，密封间隙值对泄漏量影响显著，而密封有效长度对压力损失影响显著。一些研究人员对LNG槽车站装卸臂（鹤管）用的旋转接头开展研究和优化设计，重点从密封和滚道结构、材料选型和深冷加工等方面开展设计优化研究，提高了低温旋转接头可靠性和使用寿命，在LNG领域具有较高的应用前景^［15-19］。尚延伟等^［20］则提出了旋转外壳和滚道分离的新型可拆卸式低温旋转接头结构，实现在不取出滚珠的情况下即可快速更换密封圈，缩短了LNG终端接收站故障停工时间。随着近年来氢能的广泛应用，针对液氢超低温易造成材料冷脆变形、保冷难度大、液空风险高等特点，冯是公等^［21-22］开展液氢超低温旋转接头的技术研究并申请了相关专利，为开展液氢槽车装车臂的设计制造奠定了基础。

现有研究表明，目前针对旋转接头的研究多聚焦于平面密封和球面密封，且未涉及以航天加注燃料为工质的相关产品和技术。为应对现有加注管路软管连接形式操作难、维护难、应急处置难等问题，提出一种基于双通道柱面密封旋转接头方案的回转管路自适应旋转装置，设计与介质相容的旋转动密封方案和回转过程动态误差补偿方案，通过结构、流场仿真和静动态试验开展设计优化并验证了装置的可行性，为应对行业同类问题提供了新的解决方案。

2　方案设计

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2.1　总体方案的选择

根据对航天发射场现行情况和行业领域的调研初步了解到，用于管路自适应旋转的装置解决方案可以分为三类：大尺寸柔性连接软管、多节点球形补偿接头、高可靠密封旋转接头等。

（1）大尺寸柔性连接软管方案是指使用超长的波纹管方式连接固定端与回转端管路，如图1所示。其占地面积小、成本低，在现有发射场推进剂加注系统中广泛使用，但连接不便，位置不固定，易造成挤压、干涉，且受软管伸缩量和转动量的限制，不宜运用在回转角度较大的场合（超过90°），回转设备动作前后需要反复拆装，管路破空时间长，重复吹除气检置换次数多。

（2）多节点球形补偿接头方案是指采用多个可适应一定旋转角度的球形补偿器以组合串联的方式连接固定端与回转端管路，如图2所示。根据GB/T 12465—2017《管路补偿接头》［］规定的球形补偿器基本指标，公称直径DN100的球形补偿器可挠量为15°，若需要实现180°回转，则至少需要3个球形补偿器串联，此方案对球形补偿器密封可靠性要求较高，任何1个球形补偿节点出现泄漏都将危害整个系统正常运行。

（3）高可靠密封旋转接头方案就是以旋转接头为核心部件，并增设专门补偿器用于适应微小安装误差的自适应旋转装置方案。根据GB/T 41069—2021《旋转接头名词术语》，旋转接头按照通道数量可以分为单通道、双通道、多通道，按照密封方式可以分为平面密封、球面密封和柱面弹性体密封，按照连接方式可以分为螺纹连接、法兰连接。图3示出基于双通道柱面密封旋转接头的自适应旋转装置方案，只需1个旋转接头就可实现2个通道同时过流，系统结构简单，具有较高可靠性。

2.2　结构主体方案

某工程燃料加注管路服役于航天发射场，为满足加注燃料可靠输送、可自适应跟随回转部件旋转的使用需要，以及免拆装的功能需求，按照简单、安全、可靠的原则开展自适应旋转装置设计。

旋转接头作为自适应旋转装置的核心部件，依据相关国家及行业标准，考虑该工程燃料加注系统实际情况，设计指标参数如下：（1）工作介质为航天煤油、氮气；（2）结构型式为双通道，可适应介质逆向通流；（3）公称通径为DN100；（4）材质为碳钢、不锈钢；（5）设计压力不小于1.6 MPa；（6）工作流量约1 500 L/min，按GJB 7765—2013《航天发射场航天煤油库及加注系统设计规范》，内部流速需不大于4.5 m/s；（7）漏率需满足在使用压降法0.4 MPa气检压力下保压30 min无明显压降，煤油过流时无渗漏；（8）具有抗高温燃气流冲击能力，为适应工程服役环境，装置本体及密封副需具备抗高温燃气流冲击能力，结构安全系数不低于5~10。

依照JB/T 8725—2013第4.2.1~4.2.3节规定的平面、球面、柱面密封旋转接头技术参数，根据发射场煤油加注系统的使用压力、温度、转速工况，考虑到生产制造的难度，设计的旋转接头采用柱面密封型式。根据JB/T 13968—2020第3.2.3节“公称尺寸80 mm以上的旋转接头外管及进出口连接方式宜采用法兰连接”的规定，设计旋转接头连接型式采用法兰接头。

图4示出双通道法兰接头柱面密封旋转接头的结构和装配示意，该旋转接头主要由旋转端、固定端和轴承三大部件组成，内部结构使得旋转端和固定端在任意相对角度位置时管路始终处于畅通状态，且通道1和通道2之间相互独立，互不影响。旋转接头的旋转端连接旋转部件，固定端安装固定在固定部件上，旋转端和固定端之间安装有轴承，使得它们之间可以在外力的转动下以回转轴线为中心进行360°相对转动。

为满足装置燃料加注工作需要和回转过程中的自适应旋转，基于旋转接头技术的加注回转管路自适应旋转装置方案需要解决高可靠性回转动密封、“伸缩位移+角位移”双重误差补偿等关键重难点问题。

2.3　旋转动密封方案

旋转接头对旋转动密封技术有着特定要求。现有往复式动密封结构，如煤油屏蔽泵、柱塞泵、活塞机等，均不具备参照价值；普通离心泵所采用的机械密封结构则过于复杂，且难以适配双通道或多通道设计^［23-24］；液压马达密封仅适用于常温工况下的液压油介质^［25］。结合加注回转管路旋转接头内部结构原理图（见图5），其密封产品特点分析如下。

（1）摩擦副数量多。内部为双通道结构，约3~4道摩擦副，因此，需要尽可能简单统一的密封结构。

（2）存在隧道管结构。双通道旋转接头的一个内管需要以穿隧道的方式穿过另一通道的油腔，因此，需要解决通道/内腔之间的密封问题。

（3）回转式动密封需要解决轴向密封问题。用于径向密封的往复式动密封技术不适用/无法参考。

（4）燃料无润滑性。需要使用自润滑材料密封，对摩擦副的耐磨性要求更高。

（5）高温燃气冲刷环境。需要密封结构和材料具备较强的耐高温性能。

方案采用的VSF密封（泛塞封）是一种先进可靠的旋转动密封装置，按旋转接头标准分类方法，VSF属于一种柱面弹性体密封，如图6所示，其结构由U形密封环和V形耐腐蚀金属弹簧组成。

在低压或零压力时，由金属弹簧提供主要的密封力；随着系统压力升高，由系统压力提供主要密封作用力，从而保证了从低压到高压可靠的密封效果。密封环设计的固定面卡紧在沟槽内防止密封件跟随旋转，保证了密封效果稳定。通过将沟槽设计在外圆筒（而不是内轴上），可以起到将热量及时传导出去的作用，避免了材料的冷流失效。密封环采用PTFE填充改良碳纤维，对有润滑性与无润滑性的液压流体（包括煤油、水等）均可适用，与燃料介质相容，具有耐高温、低摩擦性和寿命长等特点，工作最高温度约300 ℃，可以用于旋转接头。同时，为了应对旋转接头在动作过程中弯扭力作用对密封件构成挤压导致变形的影响，旋转接头密封副设计时均在各软质密封件附近增设硬质支承环，材质为POM，起到旋转过程中的承力作用。

2.4　误差补偿方案

由于旋转接头安装时的回转中心不可能100%保证与外置动力源回转中心完全重合，因此，导致旋转接头管路与回转轴系中心存在一定的不同轴度，在外置回转动力源转动过程中，旋转接头出口管路需要跟随回转设备管路同步做旋转运动，图7示出旋转接头同轴度误差原理示意。

当回转端设备从位置1转动到位置2时，旋转接头两个通道的出口管路既存在伸缩位移，也存在角位移，同轴度误差的存在可能导致管路硬管变形或旋转面变形，从而影响旋转接头密封性，造成泄漏。通过设计机械连杆补偿机构实现回转运动过程中的“伸缩位移+角位移”双重误差补偿^［26］。同轴度误差补偿装置如图8所示，主要由1对销轴连接副和1对球连接副机构组成，通过球连接副机构实现回转过程中传力杆的角位移补偿；通过销轴连接副机构的高度差，实现回转过程中传力杆两端的伸缩位移补偿。

3　仿真分析

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使用结构仿真、计算流体力学（CFD）方法等技术，开展对产品结构特性和内部流体特性的模拟和分析，实现产品方案可行性验证和CAE设计。

3.1　结构运动仿真

根据现场空间尺寸测量结果和装置设计情况，使用SolidWorks软件对现场空间尺寸和自适应旋转装置尺寸进行1∶1全尺寸建模，开展了三维模装及运行干涉性检查，如图9所示，结果未发现干涉情况。

3.2　结构静力学仿真

运用SolidWorks内置的结构静力学分析模块对建立的自适应旋转装置三维模型进行仿真分析。根据自适应旋转装置使用过程中，结构受气流静压最大的工况进行仿真分析，此时装置受到在火箭发射时产生的气流静压的作用和自身重力的作用。因此，力边界条件主要分为固定约束、气流静压加载和自身重力作用三个方面，其中，固定约束在旋转接头焊接端及管夹结构安装面（A~E）设置Fixed Support，气流静压力大小根据燃气流场仿真预示结果设置为84 kPa，与-z方向自身重力叠加，仿真模型如图10所示。

如图11所示，根据整体仿真位移云图可以得出，旋转接头整体最大位移为1.47 mm，最大值在旋转接头顶部出油口管道位置，根据应力云图综合分析，该位移变形为弹性变形。进一步根据整体仿真应力云图可以得出，旋转接头整体最大Von Mises应力为61.64 MPa，最大值在旋转接头支座连接销轴处，销轴选用材料为45^#钢调质，安装支座Von Mises应力最大值为56.68 MPa，其材质选用Q355。

根据第四强度理论，Von Mises应力是根据三个方向的主应力计算得到的等效应力，其能直接与材料屈服强度对比，用来判断复杂受力下材料是否失效，装置结构安全系数可按下式进行计算：

n = σ 0.2 / σ m a x

（1）

式中，

n

为结构安全系数；

σ 0.2

为材料屈服强度值；

σ m a x

为结构最大Von Mises应力。

将相关数据代入上式计算可知销轴和安装支座的结构安全系数分别为5.75，6.26，均能够满足结构安全系数5~10的设计指标要求。

3.3　内流场仿真

旋转接头包含两个流道，通过内部旋转密封结构实现两个流道各自联通不受旋转角度影响，两个流道在进行加注工作时需要满足流场的流速和压降技术要求。如图12所示，将建立的自适应旋转装置三维模型导入ANSYS仿真平台后分别提取内部两个通道（P1，P2）进行流场仿真分析。

根据加注工况施加旋转接头流场边界条件，入口设置1.0 MPa静压压力，出口设置质量流量20 kg/s（为航空煤油在1500 L/min流量下等效质量流量）。设置流体介质属性为等效航空煤油的连续流体，密度789 kg/m³，动力黏度0.001 5 Pa.s，摩尔质量为120.34 g/mol；流场整体受到-z方向自身重力的作用。自适应旋转装置内部P1，P2通道流场仿真分析结果如图13，14所示。

由图13，14可知，自适应旋转接头内部P1通道最大压降为0.016 1 MPa，P2通道最大压降为0.018 MPa，对管路总体流阻特性影响较小，均能满足使用需求；旋转接头P1通道整体流场最大流速为4.363 m/s，最大值在旋转接头内部出口汇流处，旋转接头P2通道整体流场最大流速为4.495 m/s，最大值在旋转接头内部出口汇流处，均满足流速不大于4.5 m/s的规定。

4　系统试验

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4.1　试验设计

为验证装置输送燃料介质的能力，按照工程实际需求和相关国家、行业标准，设计开展结构回转试验及燃料回流试验，判断管道流阻损失变化对管道阻尼特性和燃料泵运行工况点的影响。

4.2　条件和方法

如图15所示，将装置接入燃料输送管道系统中完成试验系统的搭建，开展了实物结构回转试验。试验过程中由回转部件驱动，进行慢速、正常速回转动作，试验结果显示各部件运转灵活，旋转装置跟随回转部件开合过程中无卡滞、异响、振动等情况，结构完好。

过流时试验系统工作流程如图16所示。动态过流试验时，工作介质采用煤油燃料，输送方式采用泵压式，通过控制调节阀开度、流量传感器反馈的方式精确控制过流流量，装置前后设置压力传感器，实时测量不同过流流量下的流阻损失。

试验中，流量传感器采取大小流量计并联方式设置，当需要通过大流量时使用大流量计计量，需要通过小流量时使用小流量计计量，且小流量计通过串联方式设置双备份，以满足精确可靠的计量要求，上述流量计编号依次记为1，2，3号流量计。

4.3　结果分析

离心泵的运行工况点通过管路的特性曲线与泵的特性曲线确定，在工业生产中，往往需要泵运行在最佳工况点附近（高效工作区）以保证运转的安全性和经济性。

管路系统实施自适应旋转装置改进后，由于增加了管路压降损失，改变了管路的阻尼特性，使泵的运行工况发生偏移，不利于维持泵的最佳运行工况。为此，需要针对性调整阀门开度，重新调整泵的运行工况恢复至最佳效率点。

自适应旋转装置改进后，不同流量下的调节阀开度变化规律如图17所示，流量调节曲线如图18所示。

从图可见，当阀门开度分别为59.92%，35.76%时，1号流量计（即大流量计）准确检测到系统过流量约为1 500，800 L/min，同理，当阀门开度为13.14%时，2，3号流量计（即小流量计）准确检测到系统过流量约为300 L/min。综上，通过阀门开度调整，系统可以实现300~1 500 L/min全流量工况调整，自适应旋转各通道的流阻损失对系统的燃料过流量无影响。

燃料泵前后压力（P11，P12）、自适应旋转装置前后压力（P53，P54）变化曲线如图19，20所示，在泵入口压力（P11）保持不变（0.2 MPa）的情况下，流量为1 500 L/min时，泵后压力（P12）维持在1.2 MPa，装置前（P53）、后端（P54）压力分别为0.280，0.073 MPa，压差为0.207 MPa。结合阀门开度和流量调节曲线可以看出，燃料过流时的局部压降变化不影响泵的运行工况点始终处于高效工作段。

5　结论

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（1）依照相关国家、行业标准，为满足某工程燃料加注回转管路免拆装需要，研制了一种自适应旋转装置，结构运行仿真和动态回转试验结果表明，装置有效解决了动态回转过程中出口端管路“伸缩位移+角位移”的双重误差补偿问题，实现了免拆装功能。

（2）装置能够满足结构安全系数5~10、流速不大于4.5 m/s的设计指标要求。

（3）所设计密封结构有效解决了高可靠性回转动密封问题，装置在1 500 L/min最大流量过流下的最大压降为0.207 MPa，燃料过流时的局部压降变化不影响泵的运行工况点始终处于高效工作段，满足燃料介质加注输送使用需要。

参考文献

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文献

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2026年第54卷第2期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.006

接收时间：2025-05-31
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-02-28

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收稿日期：2025-05-31
修回日期：2025-12-10

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西昌卫星发射中心，海南文昌 571300

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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