載人潛水器艉軸穿艙密封技術

許 可，曹海健，王 瑞，范華濤

（1. 中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2. 東臺船用配件有限公司，江蘇 東臺 224200）

0 引 言

近年來，對海洋資源尤其是 1000m以下深海資源的研究與開發越來越受重視。為了能近距離觀察和開發深海資源，已研發出各類無人潛水器和載人潛水器，其中載人潛水器因具有大潛深和可搭載多名人員直接挺進深海的優點而備受矚目。載人潛水器上通常搭載有多功能作業機械手、深海觀察和探測類設備，可在深海完成各類精細觀察和取樣，以及進行高效勘探、科學考察和海底精細作業等[1-2]。

目前國內外的載人潛水器大多采用舷外親水推進器直接推進艇體，在采用這種推進方式時，推進器主體結構全部位于舷外，長期浸泡于海水中，一旦出現故障，人員無法對其進行維修，這就限制了該類載人潛水器在深海作業的時間。若能采用軸系穿艙技術，則能較好地解決舷外推進器難以維修的問題，即推進電機、推力軸承等軸系設備及其附屬系統均位于載人艙內，通過主軸穿過耐壓艙之后與舷外的推進器連接，由于推進系統的絕大部分設備都位于載人艙內，人員可達，可進行實時在線維修。然而，穿過耐壓艙的艉軸密封對于該技術的實施至關重要。由此，本文對載人潛水器軸系穿艙密封的技術特點和技術方案進行分析。

1 艉軸密封裝置的組成和工作原理

載人潛水器的穿艙軸系主要由推進電機、聯軸器、推力軸承、艉軸密封裝置、艉軸軸承和艉軸組成，其中艉軸密封裝置主要在軸系運轉過程中起到密封舷外高壓海水的作用。艉軸密封裝置是載人潛水器耐壓結構艇體上密封尺寸最大、工作環境最惡劣的動密封設備，其性能的優劣直接影響到載人潛水器在水下航行和作業的效能，甚至影響其生命力。因此各國均投入大量資源研究開發性能優良的艉軸密封裝置，并已取得顯著的技術成果[3]。常規的艉軸密封裝置通常由端面密封、應急密封和修理密封等3個基本功能單元組成[4]（見圖1）。

1) 端面密封是艉軸密封裝置中最主要的密封單元，其結構形式一般為機械密封，在軸系正常運轉過程中，軸系的密封任務主要通過端面密封來完成；

2) 應急密封作為端面密封的備份，在端面密封受損或發生故障時，起到臨時密封的作用；

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式中,θ1=βL1代表半波長諧振器的電長度,由于諧振器的諧振條件為Yin,odd=0,因此,第一奇模諧振頻率可按式(2)計算

3) 修理密封的主要作用是實現對端面密封和填料密封的檢修和換件，此時艉軸應停止轉動。

隨著潛艇和潛水器的下潛深度逐步增加，以及對水下工作時間的要求越來越高，潛艇和潛水器對艉軸密封裝置的密封性和可靠性的要求越來越高，雙端面機械密封的結構形式越來越多地被采用，并朝著整體式安裝結構的方向發展，采用雙端面密封的結構形式可進一步提高裝置密封的耐壓壓力和可靠性[5]。

2 載人潛水器艉軸密封裝置技術方案

因此，為適應載人潛水器大潛深工作的特點，本文論證的艉軸密封裝置的主密封采用軸向串聯的2道端面機械密封（見圖3），在艉部設置一道液壓閉鎖裝置用作修理密封，在艏端設置一道密封填料函用作應急密封。在正常運轉過程中，液壓閉鎖裝置和應急填料密封裝置處于脫開狀態。串聯式雙端面機械密封（一）和串聯式雙端面機械密封（二）的密封動環、靜環在水壓和彈簧壓力的共同作用下相互緊密貼合，產生密封作用。當軸系運轉時，密封動環的摩擦面與靜環的摩擦面之間會產生并維持一層水膜，對密封副進行潤滑和冷卻。

圖2 艉軸密封裝置部位合成位移圖

載人潛水器的下潛深度通常可達1000m以上，如此大的下潛深度不僅要求艉軸密封裝置能密封該深度對應的較大壓力的外界海水，而且會造成載人艙的耐壓殼產生較大的結構變形，進而使艉軸在穿過載人艙耐壓殼時有較大的相對位移，因此需要艉軸密封具有較強的位移補償能力，以保證耐壓殼在結構變形條件下能可靠密封。本文研究的載人潛水器耐壓艇體結構采用的是TC4鈦合金材質，對載人潛水器的艉軸穿艙部位的耐壓艙進行有限元建模，并采用ANSYS軟件進行有限元分析，其中計算壓力取10MPa（對應1000m工作水深），模型耐壓結構的參數為：圓柱殼內徑φ3000mm；殼板厚度t=24mm；球封頭內徑φ2586mm；球封頭厚度t=20mm；肋骨間距l=300mm；穿艙艉軸直徑φ90mm。有限元計算分析結果（見圖 2）表明，在機械密封部位，艉軸的縱向位移為2.8mm，耐壓結構的縱向位移為8.3mm，相對變形為5.5mm。

圖3 載人潛水器艉軸密封裝置結構方案

2.1 雙端面機械密封

采用雙端面機械密封作為主機械密封的方案，該雙端面機械密封由2道密封特性相同的端面機械密封（一）和端面機械密封（二）軸向串聯而成，每道機械密封的設計工作壓力為5MPa。根據不同工況的要求，2道機械密封共同或各自發揮密封作用。

當水深超過500m時，舷外海水經過濾器和定壓減壓閥，在控制壓力小于等于5MPa之后進入壓力水箱，經管路進入機械密封（一）的密封腔，冷卻潤滑密封副（一），流出之后經二級冷卻水泵加壓進入機械密封（二）的密封腔，冷卻潤滑密封副（二）之后經艉管流出舷外。在該工況下，2道機械密封同時發揮密封作用，機械密封（一）承受的壓力和機械密封（二）承受的壓力均小于等于5MPa，單道機械密封承受的壓力均遠小于工作水深壓力，在保證整機工作能力不變的前提下減小工作負荷，同時可采用成熟的機械密封副結構形式和材料。

我們知道，人的牙齒和舌頭的感覺非常精細，是容不下半點“沙子”的，它們之所以能夠協調，在口腔內重復進行著機械性活動，是因為它們有著自己運行的軌道，維持著口腔功能的正常運轉。一旦口腔內出現任何異常，就可能會破壞口腔內的平衡，可能會發生咬傷。

設置2道動密封圈，分別為V形密封圈和O形密封圈，安裝在密封端蓋內的圓溝槽內。V形密封圈兼具密封和防沙功能，當密封靜環進行軸向補償時，動密封圈的位置相對固定，最大限度地免除水中雜質導致動密封部位出現卡滯現象。

1.5 統計學處理 采用SPSS17.0軟件進行分析。計量資料以x±s描述，組間比較采用兩獨立樣本t檢驗，組內比較采用配對t檢驗。計數資料用例數（%）描述，組間比較采用χ2檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2.2 液壓閉鎖裝置

當閉鎖器完成任務需開啟時，先向機械密封（一）的密封腔內注入與舷外等壓力的壓力水，再向閉鎖器開啟腔內注入一定壓力和體積的液壓油，使雙活塞向艉端移動，閉鎖器達到開啟狀態。

當載人潛水器在水下一定深度處發生推進故障無法繼續前行機動時，需對端面密封或應急填料密封進行維修，或當處于全任務深度范圍內需應急上浮時，向閉鎖裝置的閉鎖腔注入一定壓力和體積的液壓油，使雙活塞向艏端移動，端面密封環緊密貼合到機械密封（一）的動環背面，閉鎖器達到閉鎖密封狀態，阻斷舷外的海水，雙活塞在舷外水壓的作用下處于閉鎖狀態。

液壓閉鎖裝置用作修理密封，主要由殼體、雙活塞、密封圈和端面密封環組成，各部件承受水壓的直徑按大小排序為：艏端活塞＞艉端活塞＞端面密封環。在正常狀態下，閉鎖裝置開啟，雙活塞在水壓的作用下自鎖于艉端，防止軸系運轉時對端面密封環產生摩擦。

閉鎖器用的液壓油為“水-乙二醇”水溶性液壓油，符合環保要求且具有隱蔽性。使用手動高壓油泵注入液壓油，具有較強的可操作性。

不過哥哥講故事的時候，翠姨總比我們留心聽些，那是因為她的年齡稍稍比我們大些，當然在理解力上，比我們更接近一些哥哥的了。哥哥對翠姨比對我們稍稍的客氣一點。他和翠姨說話的時候，總是“是的”“是的”的，而和我們說話則“對啦”“對啦”。這顯然因為翠姨是客人的關系，而且在名分上比他大。

2.3 密封填料函

密封填料函用作應急密封，主要由3道串聯布置的填料函、壓緊蓋和周向均布的雙頭螺柱組成。應急密封作為端面密封的備份，在雙端面機械密封受損或發生故障時起到臨時密封的作用，主要通過均勻擰緊周向均布的雙頭螺柱上的螺母完成密封填料的同步壓緊，密封填料在受到正向壓緊力之后會徑向膨脹，從而起到密封的作用。在該情形下，載人潛水器僅能在短時間內以較低的速度航行。

2.4 密封冷卻水系統

(2)地理上的集中本身就有助于商品制造者、供給者與顧客之間產生一種更為自由的信息傳播，相當數量的創新正是由于顧客需要和解決供給問題而產生的結果.

密封冷卻水系統由過濾器、定壓減壓閥、壓力水箱、一級冷卻水泵、二級冷卻水泵、管路、截止閥、單向閥和壓力表等組成（見圖4）。

當潛水水深在500m時，舷外海水（密封、冷卻介質）經過濾器和一級冷卻水泵之后進入機械密封（一）的密封腔，對密封副（一）進行冷卻潤滑之后流出該密封腔，經管道再次流入機械密封（二）的密封腔，對密封副（二）進行冷卻潤滑之后經艉管流出舷外。在該工況下，機械密封（一）發揮密封作用，機械密封（二）處于熱備份狀態，一旦機械密封（一）失效，可通過切換管路上閥門的開、關狀態，將機械密封（二）投入使用。

圖4 密封冷卻水系統組成

機械密封動環和靜環均采用浮動安裝結構，避免固定安裝結構產生的應力的影響，提高密封的可靠性；密封動環的材質為硬質合金；密封靜環的材質在初次裝船時采用碳化硅整環，在不抽軸維修更換時采用剖分式碳精環。

3 載人潛水器艉軸密封裝置試驗系統研制

載人潛水器艉軸密封裝置的試驗系統包括2部分，分別是動力驅動部分（試驗系統臺架）和輔助管路系統。

3.1 動力驅動部分

動力驅動部分（試驗系統臺架）見圖5，主要由電機控制柜、推進電機、高彈聯軸器、位移調整器、艉軸、艉軸軸承和2個對面布置的雙端面艉軸密封裝置組成。為降低推進電機旋轉振動對艉軸密封裝置密封性能試驗的影響，將推進電機和艉軸密封裝置安裝在獨立的支撐基座上，并使推進電機與艉軸通過高彈聯軸器連接，以補償兩者之間的對中誤差和減弱推進電機振動傳遞。

該套試驗裝置采用變頻電機無級調速，功率為 27kW，輸出轉速為-400～+400r/min，艉軸外徑為φ90mm。

圖5 艉軸密封裝置試驗系統臺架

針對載人潛水器艉軸密封裝置部位在大潛深環境下會產生 5.5mm相對變形位移的特點，在密封試驗系統中著重考慮艉軸相對位移對密封性能的影響，在艉軸密封裝置試驗系統的動力驅動部分，艉軸與高彈聯軸器之間增加1臺位移調整器（見圖6），該位移調整器主要由10塊1mm厚的316不銹鋼圓板疊加而成，每次通過裝載不同數量的不銹鋼圓板來模擬艉軸的相對位移量，進而考核不同位移條件下艉軸密封裝置的密封性能。

圖6 位移調整器

3.2 輔助管路系統

輔助管路系統的主要功能是模擬載人潛水器的艉軸密封裝置和艉軸軸承在深海高壓環境下的運行環境，輔助管路系統主要由壓力水桶、高壓水泵、壓力流量傳感器、管路和閥件等組成（見圖7），其主要工作原理是通過加壓泵將壓力水桶中的水壓提升至10MPa之后分2路：一路經過冷卻水泵將10MPa的壓力水直接泵入艉軸軸承中；另一路經過減壓閥降低至5MPa之后進入壓力水槽，之后直接進入2個艉軸密封裝置的機械密封（一），從其出口流出的5MPa高壓水經二級高壓水泵加壓至10MPa之后流入機械密封（二），之后通過艉軸軸承出口流至10MPa壓力水桶中。

在輔助管路系統中，從10MPa壓力水桶中引出2路水路，其中：第一路的主要作用是保證能在艉軸密封裝置的外部建立一個10MPa舷外高壓的水環境，用來模擬載人潛水器艉軸密封裝置實際的工作深度；另一路的主要作用是模擬載人潛水器的艉軸密封裝置在實際工作過程中逐級減壓的密封冷卻水系統。

圖7 艉軸密封裝置試驗系統的輔助管路系統

4 結 語

本文分析了常規艉軸密封裝置的組成和工作原理，并結合載人潛水器大深度的工作環境和高可靠性、可實時在線維修的特點，提出了雙端面艉軸密封裝置和輔助密封冷卻水系統的組成及其工作原理，并開展了針對該艉軸密封裝置試驗臺架和密封輔助管路系統的技術方案設計工作。通過對該技術方案的論證，認為：除了采用現有的舷外親水推進器推進方式以外，采用艉軸穿艙密封的技術方案也是切實可行的。