潛水電泵機械密封結構設計的改進

王雙波

（泉州市市政工程管理處，福建泉州362000）

1 機械密封

機械密封的功能可描述為：作為一種動密封的存在，使經過動密封面不可避免發生的泄漏量盡量減少。而機械密封泄漏少應視作產品質量高的一個重要標志。

壓差ΔP的方向是趨向于把機械密封工作壓力彈簧推開，因此有平衡型和非平衡型機械密封兩種結構形式之分，非平衡型機械密封允許工作壓力較低（ΔP≤0.8 MPa），平衡型機械密封允許工作壓力較高（ΔP≤3 MPa）。不論是干式還是濕式潛水電泵，由于機械密封都是安裝在出軸端外側的軸伸端，軸伸端的直徑一般都必須小于端蓋內軸承檔的直徑，才能實現正常的裝配，因此一般都毫無例外地選用非平衡型機械密封。

P1在高壓側，即被密封介質試圖經密封面減壓的一側（kgf/cm2）；P2在低壓側，即被密封介質，當密封泄漏時壓力被提高的一側（kgf/cm2）。

2 機械密封結構設計

為減小機械密封在潛水泵工作狀態下的泄漏量，潛水電泵機械密封結構設計有兩點特別值得注意：

（1）受潛水電泵軸向尺寸鏈累計公差的影響，機械密封軸向尺寸安裝誤差應≤0.5 mm的要求難以滿足，特別是軸承系的設計，為防止軸向尺寸的干涉，使軸向力能落實到推力軸承的承載面，必須留有軸向竄量，更大大增加了機械密封安裝和調整的困難，可以說幾乎沒有一次裝配機械密封可以調整到合理的軸向位置。

（2）即使是合格的機械密封，又得到合理裝配機械密封工藝的保證，機械密封的泄漏量達到標準規定的數據，對長期運行的潛水電泵特別是中大型泵站用機械密封仍然是不可接受的。例如每小時5 mL的泄漏量，在一次大修間隔期8 000 h，將達40 L（即40 kg）的泄漏水進入潛水電機或潛水泵油室，完全有可能使電機的線圈端部浸泡在水中，或提前多次出現電機腔內進水報警；同樣，潛水泵的油室也不允許如此大量的水進入，否則會導致油室中數百升的潤滑油由于進水被乳化，需要整體更換潤滑油，從而縮短了檢修和維護保養的周期。

要解決以上問題，單純要求機械密封制造行業提高產品質量難以實現，同時或更重要的是，潛水電泵的設計應提供機械密封的合理工作條件。其一，使用質量合格的機械密封能盡量減小泄漏量；其二，應改進機械密封結構設計，使潛水電泵軸不可避免的軸向竄量不影響機械密封的軸向安裝允用調整量；其三，潛水電泵應對不可避免的機械密封動密封泄漏有結構設計措施，對此泄漏量有較大的容忍度；其四，應設法降低首道機械密封的密封介質之間的壓差。

3 潛水電泵首道機械密封泄壓裝置設計

從圖1可以看出潛水電泵的首道機械密封處于葉輪的后側，當水泵工作時，經葉輪的加壓，機械密封所在腔體空間的壓力P1即等于全揚程H所建立的壓力，即bar，ρ是泵送液體的比重，以水在4℃時的比得為1.0。在以下分析中，如無特別注明，取1 bar≈1 kg/cm2，而機械密封的內腔（一般是油池），如未作內腔加壓注入氣體（通常為氮氣）即為正常大氣壓ρ0，取相對壓力ρ0=0，因所取機械密封的壓差ΔP=P1-ρ0=P1，故首道機械密封的壓差就是水泵全揚程建立的壓力。

圖1 典型泵站結構圖

新型潛水軸流泵、潛水混流泵的設計，在葉輪轂導葉的接合處設有如同離心泵一樣的磨損環和口環，形成密封間隙環，稱為迷宮環，如圖2所示。

圖2 首道機械密封減壓裝置

假設葉輪轂迷宮環部分的直徑為DG，迷宮環的徑向單邊間隙δ=（0.002 5～0.003）DG，約1 mm，高度約（0.12～15）DG，葉輪轂和導葉體對應平面之間的軸向距離約（0.02～0.03）DG。這樣設計的迷宮環能有效阻止纖維進入首道機械密封所在的空間。

這一密封迷宮的存在為首道機械密封泄壓創造了條件，在首道機械密封腔內，設置一個通道與進水池聯通（圖1、圖2），經迷宮環以壓力P1進入首道機械密封腔內，經通道與周圍環境水相聯通，此處環境水的壓力是進入池的淹沒深度Hs產生的壓因為淹沒深度一般都小于泵的排水全揚程H，對軸流泵HS≈（1/5～1/2）H，對混流泵HS≈（1/8～1/3）H，對離心泵或多級離心泵也可以采用首道機械密封減壓技術，此時HS≈（1/200～1/10）H。

首道機械密封腔內壓力：

當泄壓孔開得很大，泄壓部位完全開放，機械密封所在腔體完全與進水池聯通，此腔體所承受的水壓就是進水池水位（淹沒深度HS）所形成的水壓P0，此時首道機械密封承受的壓差ΔP≈P0，一般HS都不到2 m，也就是ΔP≈0.002 MPa左右；而當泄壓孔開得很小，P2=P0+（P1-P0）=P1，也就是如果泄壓孔開得過小，機械密封腔泄壓效果很差。當泄壓孔的面積S2達到密封環間隙面積S1的2倍（S2/S1=2）時，在首道機械密封腔內，由泵揚程產生的壓力已泄壓85%，只剩余15%，基本上已接近于進出池的壓力P0。

4 結語

首道機械密封所在的腔體經聯通管及泄壓孔與進水池聯通，經合理設計計算迷宮環及泄壓孔的配合，使此密封腔內的壓力從水泵的全揚程下降到接近進水池合理淹沒深度所產生的壓力。由于壓力的減小首道機械密封的泄漏量顯著減小，改善了首道機械密封的工作條件，延長了首道機械密封的使用壽命。由于首道機械密封所在腔體壓力下降，使油室內的壓力也減小，同時也改善了電機端機械密封的工作條件，減少了電機內部進油的可能性。