高壓熱水泵的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜志強(qiáng) 朱云龍 蘇璟琛

高壓熱水泵的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜志強(qiáng) 朱云龍 蘇璟琛

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽 110869）

高壓力熱水泵的密封在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，是確保熱水泵可靠性的關(guān)鍵。本文通過分析高壓熱水泵密封的設(shè)計(jì)過程以及密封結(jié)構(gòu)，針對普通機(jī)械密封存在的問題提出了幾點(diǎn)技術(shù)改造措施。在高溫、高壓的條件下，為促進(jìn)熱水泵的技術(shù)發(fā)展與提升高壓熱水泵的密封提供理論參考。

高壓；熱水泵；密封；結(jié)構(gòu)

在常溫、常壓狀態(tài)時(shí)對密封性能要求不高，傳統(tǒng)的水泵密封是使用軟填料作為密封材料的。但是在高溫、高壓的條件下，其結(jié)構(gòu)在使用的過程中存在著易磨損、密封穩(wěn)定性差等問題。加上其本身容易氣化并且在密封端面之間的壓力和摩擦熱的作用下，極度影響供水效率。在機(jī)械密封的滑動(dòng)端面難以維持穩(wěn)定的液體膜使得密封端面處于干摩擦狀態(tài)，經(jīng)常損壞。本文著重針對這些問題進(jìn)行分析，從而解決此類密封的設(shè)計(jì)問題。

1 高壓熱水泵的機(jī)械密封特點(diǎn)

過去經(jīng)常使用的水泵填料是普通浸油麻絲軟盤根，為了滿足工藝上的需要即在一定的溫度之上，需要采取高效的改進(jìn)措施。較高的壓力使端面摩擦力增大，使用壽命不到600h并且需要經(jīng)常維修和更換。尤其是泵啟動(dòng)的瞬間對密封各部件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求很高，壓蓋通過壓蓋螺栓軸向預(yù)緊力的作用使盤根產(chǎn)生軸向壓縮變形。對溫度變化極為敏感，引起盤根產(chǎn)生徑向膨脹的趨勢。

（1）密封正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，盤根密封裝在盤根倉內(nèi)。此類介質(zhì)容易氣化且溫度越高其飽和蒸汽壓就越高，間隙被填塞而達(dá)到密封。但是介質(zhì)輸送壓力是一定的，盤根的膨脹受到盤根倉內(nèi)壁與軸表面的阻礙作用。如果密封產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)就會使密封腔的溫度過高，使其難免存在微小間隙而造成泄漏。飽和蒸汽壓力超過輸送壓力，使其與兩表面之間產(chǎn)生緊貼。介質(zhì)氣化使密封失效，此間隙即為主要泄漏通道。當(dāng)擰緊壓蓋螺栓時(shí)，端面變形的控制難度也大大增加。

（2）整體型結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度時(shí)需要較大的端面，軟填料密封由于結(jié)構(gòu)簡單且拆裝方便而且能適應(yīng)各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)及靜止元件的密封仍被廣泛使用。但端面變形難以控制，盤根是在變形時(shí)依靠合適的徑向力緊貼軸和盤根倉內(nèi)壁表以保證可靠的密封。密封尺寸受泵體尺寸所限，與軸緊密接觸。需在有限空間內(nèi)滿足壓力變形的影響，減少柔性盤根受壓蓋的軸向壓緊力作用產(chǎn)生彈塑性變形而沿徑向擴(kuò)展。高溫高壓的熱水對密封的尺寸和形狀都有極為嚴(yán)格的要求，需減少摩擦磨損，提高使用壽命。

2 針對高壓熱水泵的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，對各類結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的軟件較多。所以，可以采用這些軟件對此設(shè)計(jì)的密封進(jìn)行分析，得到最佳的設(shè)計(jì)，并加工出樣件，在實(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)證．從而確定最后的方案。根據(jù)以上的理論分析，在密封設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用：

（1）密封設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)必須具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，采用由純合成纖維、高純度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有機(jī)密封劑進(jìn)行混合的新型密封填料。由于本身結(jié)構(gòu)的原因鑲嵌應(yīng)力在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中平衡系數(shù)和端面比壓必須在要求的范圍內(nèi)，需針對傳統(tǒng)的軟填料密封存在的不足進(jìn)行改良。傳動(dòng)頂絲、傳動(dòng)凹槽和傳動(dòng)螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)的大小和數(shù)量必須考慮端面干摩擦?xí)r的極限狀態(tài)，可以緊緊纏繞在軸上并隨軸同步旋轉(zhuǎn)。所有石墨環(huán)等易損件的結(jié)構(gòu)必須滿足在高壓下和較大的扭矩下不能損壞，當(dāng)有一定壓力的流體介質(zhì)通過軸表面時(shí)起到節(jié)流降壓作用。在不同的壓力下。其形狀和壓力參數(shù)的微小變化，都能是端面的變形產(chǎn)生較大的變化。延長軸和填料的使用壽命，節(jié)省了大量的資金。在同樣的密封條件下保證了設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

（2）換熱器的應(yīng)用充分降低密封腔的溫度使端面摩擦熱能快速的散發(fā)出去，流體沿軸向流動(dòng)受阻而達(dá)到密封。密封端面附近的空間必須加大，形成一個(gè)“旋轉(zhuǎn)層”的直徑逐步增大。以便促進(jìn)熱量的流動(dòng)和減少端面摩擦熱對密封腔溫度的影響，使適當(dāng)?shù)膲壕o力使軸與填料之間保持必要的潤滑膜。密封動(dòng)靜環(huán)必須進(jìn)行優(yōu)化和時(shí)效處理，對軸產(chǎn)生壓緊力。密封動(dòng)靜環(huán)的形狀和尺寸在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對端面在壓力下的變形具有決定性的作用，如果密封面呈干磨擦狀態(tài)且磨損嚴(yán)重，密封壽命將大大縮短。密封產(chǎn)生的摩擦熱與端面寬度成正比，使其從結(jié)構(gòu)上以及材質(zhì)方面得以全面改善。產(chǎn)生的熱量大使密封面的溫升增高，為公司節(jié)約了不少成本從而提高了效益。

（3）高壓熱水泵影響著全廠的正常生產(chǎn)，需改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)。自動(dòng)補(bǔ)償徑向壓緊軟填料密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求很高，徑向和間隙中介質(zhì)的壓力需在數(shù)值上接近。采用單密封對密封的可靠性要求極高，符合軟填料密封機(jī)理。針對此類介質(zhì)本身容易氣化的特性在密封的動(dòng)環(huán)端面增加流體動(dòng)壓槽的設(shè)計(jì)，保證有效密封。和傳統(tǒng)軟填料密封結(jié)構(gòu)相比，液態(tài)介質(zhì)可以充分對端面進(jìn)行潤滑。摩擦功耗低，提高機(jī)械密封使用性能和增加機(jī)械密封使用壽命。調(diào)整尺寸改進(jìn)得出最佳的形狀和尺寸，始終緊壓軸表面。對動(dòng)靜環(huán)端面進(jìn)行時(shí)效處理，自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可連續(xù)補(bǔ)償徑壓力。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各項(xiàng)性能以消除應(yīng)力的影響，提高密封的可靠性。為用戶節(jié)省了大量的人力物力進(jìn)行維修的基礎(chǔ)上，減輕了軸與填料的磨損。

（4）高壓熱水泵應(yīng)采用合適的輔助系統(tǒng)，使其具有很強(qiáng)的可塑性。泥狀混合填料密封結(jié)構(gòu)使密封環(huán)形狀強(qiáng)度與抗變形能力增強(qiáng)，與軸纏繞的填料則與填料箱保軸表面總有一定的表面粗糙度。保持密封正常工作時(shí)端面只承受壓力變形的影響，在相同的壓蓋壓力下抵抗介質(zhì)壓力的能力增強(qiáng)。封端面平直的接觸對密封性能的影響是至關(guān)重要的，封端面平直后密封效果明顯改善。因此大規(guī)格密封中既要保證端面具有一定的強(qiáng)度，使變形減少。又要保證端面形狀在溫度和壓力的共同作用下保證端面的平直，介質(zhì)泄漏的阻力增大。

3 結(jié)束語

綜上所述，高壓熱水泵密封效果提高，徑向壓力分布比較均勻合理，應(yīng)用有限元分析軟件是必不可少的步驟。在保證強(qiáng)度上綜合考慮以上措施，使變形減少。設(shè)計(jì)此類密封時(shí)保證在密封應(yīng)用過程中只改變密封環(huán)幾何形狀的良好運(yùn)行效果，保證有效密封。達(dá)到長期穩(wěn)定運(yùn)行的目的，促進(jìn)熱水泵的技術(shù)發(fā)展與提升高壓熱水泵的密封。

[1]顧永泉．機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015．

[2]陳德才，崔德容．機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015．

[3]郝木明，顧永泉．密封填料的粘彈特性對密封性能的影響．化工機(jī)械，2015.

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1004-7344（2016）33-0233-01

2016-11-12