船用喷水推进装置机械密封的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 作者:杨卫国

  喷水推进装置机械密封分为泵密封和轴密封。该文在分析喷水推进装置机械密封的特殊使用要求及机械密封的工作原理的基础上,通过研究喷水推进机械密封的关键性能和特殊要求,重点研究关键性能技术和实现途径。在一定的力学计算基础上,论述了设计中需关注的重点,并进行相应的试验论证,所获得的结论对改进喷水推进机械密封的性能和应用提供一定的依据,并对大功率喷水推进的持续发展提供一定的基础。

  喷水推进是一种利用推进泵喷出的高速水流的反作用力推动水中载体前进的推进设备。推进泵一般由泵壳、叶轮、导叶、轴系等组成,存在轴承的润滑与密封等问题。喷水推进泵上有泵密封和轴密封两种方式的密封。在推进泵轮毂内的密封为泵密封,它的作用是避免推进泵轮毂内润滑油的泄漏和外部海水的侵入(见图1)。

泵密封安装位置

图1 泵密封安装位置

  在与叶轮相联的扭矩轴穿过舱壁处设置有轴密封,它的作用是避免流道中的海水通过旋转的叶轮轴侵入艇体(见图2)。本文主要介绍使用机械密封的泵密封和轴密封的研制。

轴密封的安装位置

图2 轴密封的安装位置

  机械密封是靠垂直于轴线作相对滑动的摩擦副端面,在流体压力和补偿机构弹簧力的作用下,使摩擦副始终保持贴合以起到阻漏的作用。主要结构件有:静环、动环、弹性元件、辅助密封圈等,静环与动环的接触面为密封工作面。

喷水推进装置对机械密封的特殊要求

  喷水推进装置机械密封的使用环境较常规陆用机械密封恶劣得多:海水的腐蚀、浅水航区的泥沙磨损、船体尾部的振动、狭小的安装空间等,对确保机械密封的性能和使用寿命提出了新的课题,主要体现在以下几点:

  (1) 较大的轴向和径向补偿以及良好密封性

  喷水推进在启动工作时,因为轴承间隙、尺寸误差、船体变形等原因,轴系会有较大的轴向颤动;船的振动及轴系安装误差也会带来轴系的径向颤动,加上温度变化对叶轮轴尺寸的影响,这些因素将直接影响到机械密封的密封性能,因此泵密封、轴密封较陆用机械密封的设计要求有更大的轴向和径向颤动补偿功能。目前国内5 000 kW 功率喷水推进用机械密封的轴向补偿要求达到8 mm, 径向补偿单边1.5 mm。同螺旋桨使用的艉轴密封相比,因为轴承型式及轴系的布置不同,及螺旋桨的结构相对简单,同规格螺旋桨用的艉轴密封的轴向窜动约为3 mm,相对较小。陆用的机械密封,轴向、径向补偿量也小很多,以搅拌装置的机械密封为例,同规格的机械密封的轴向补偿不到4 mm;同时,用于喷水推进的机械密封比陆用机械密封的密封性要求更高。轴向补偿大,随之带来的问题是:弹簧在压缩量最小时,泄漏量要满足要求;弹簧在压缩量最大时,摩擦副磨损量和发热量要满足要求,而两种工况是互相影响、互相牵制的,这也是研制的难点。就密封性而言,本次研制的泵密封和轴密封的泄漏量要求为5 mL/h(泵密封)、10 mL/h(轴密封),要求远高于以往同规格的螺旋桨用艉轴机械密封(以往螺旋桨用艉轴机械密封的泄漏量考核为“滴水不成线”,一般为30 mL/h),因此增加了研制难度。

  (2) 外形尺寸小、结构紧凑、可靠性要求高

  喷水推进大部分应用在高速船上,因此对质量的要求比较严格;而且船上的空间也比较狭小,因此喷水推进用机械密封外形尺寸相对较小,结构相当紧凑,尤其是泵密封,它安装在喷水推进泵叶轮轮毂内,结构要特殊设计才能满足有限空间的布置要求;此外,结构设计及选用的材料均要求有很好可靠性。

  (3) 良好的耐海水腐蚀和防泥砂性能

  因使用环境是海水,在近海区海水中还有泥砂,因此泵密封、轴密封设计要求防海水腐蚀,并考虑到泥砂的影响,因而对结构和材料方面有特殊的要求。

  综上所述,喷水推进用泵密封和轴密封的技术难度远大于陆用机械密封。在某型舰艇研制时,国内还未有成熟的配套产品可选用,因此只能自行研制。下面以某型国内最大功率喷水推进的泵密封和轴密封的研制为例,对其关键技术及实现途径进行研究。

试验及实船验证

  机械密封研制的一个必不可少的重要环节就是要进行台架试验,试验目的主要是考核整体密封装置设计和结构是否合理规范、装拆是否简便、考核密封装置的密封性能是否稳定可靠、考核密封装置的摩擦副匹配合理性、考核密封装置的整体寿命和泄漏量能否达到设计要求。

  机械密封试验考核的主要内容为:在极端工况下,介质的温度、密封的泄漏量及密封长期运转后的摩擦副的磨损量。这些考核参数关系到机械密封的密封性、可靠性和使用寿命。

  台架试验结果:在最高转速、最大工作压力、弹簧压缩量最小时,泄漏量只有每小时几滴(不到1 ml/h),小于要求的5 ml/h 或10 ml/h;弹簧压缩量最大时,进行了120 h 的耐磨试验,泄漏量接近零,磨损量小于0.01 mm,温度等均满足要求。

  由于台架试验并不能全模拟实船工况,因而新产品研制是否成功,最终是要通过实船来考核、验证的。国内某型最大功率喷水推进用泵密封和轴密封已通过装船考核,验证了机械密封计算方法及结构设计的合理性。

结论

  喷水推进装置用机械密封(泵密封和轴密封),密封性是重要的考核指标,但可靠性和防腐性是其不可忽视的两个方面,因此从设计和考核验证上都要进行考虑。经过台架试验和装船考核,两型机械密封均达到设计要求,已成功应用在国内最大功率的喷水推进装置上并交付使用,两型机械密封的技术水平处于国内领先水平。

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