船用噴水推進(jìn)裝置機(jī)械密封的研制

2013-10-20 楊衛(wèi)國 海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室

  噴水推進(jìn)裝置機(jī)械密封分為泵密封和軸密封。該文在分析噴水推進(jìn)裝置機(jī)械密封的特殊使用要求及機(jī)械密封的工作原理的基礎(chǔ)上,通過研究噴水推進(jìn)機(jī)械密封的關(guān)鍵性能和特殊要求,重點(diǎn)研究關(guān)鍵性能技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑。在一定的力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上,論述了設(shè)計(jì)中需關(guān)注的重點(diǎn),并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)論證,所獲得的結(jié)論對改進(jìn)噴水推進(jìn)機(jī)械密封的性能和應(yīng)用提供一定的依據(jù),并對大功率噴水推進(jìn)的持續(xù)發(fā)展提供一定的基礎(chǔ)。

  噴水推進(jìn)是一種利用推進(jìn)泵噴出的高速水流的反作用力推動(dòng)水中載體前進(jìn)的推進(jìn)設(shè)備。推進(jìn)泵一般由泵殼、葉輪、導(dǎo)葉、軸系等組成,存在軸承的潤滑與密封等問題。噴水推進(jìn)泵上有泵密封和軸密封兩種方式的密封。在推進(jìn)泵輪轂內(nèi)的密封為泵密封,它的作用是避免推進(jìn)泵輪轂內(nèi)潤滑油的泄漏和外部海水的侵入(見圖1)。

泵密封安裝位置

圖1 泵密封安裝位置

  在與葉輪相聯(lián)的扭矩軸穿過艙壁處設(shè)置有軸密封,它的作用是避免流道中的海水通過旋轉(zhuǎn)的葉輪軸侵入艇體(見圖2)。本文主要介紹使用機(jī)械密封的泵密封和軸密封的研制。

軸密封的安裝位置

圖2 軸密封的安裝位置

  機(jī)械密封是靠垂直于軸線作相對滑動(dòng)的摩擦副端面,在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈簧力的作用下,使摩擦副始終保持貼合以起到阻漏的作用。主要結(jié)構(gòu)件有:靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、彈性元件、輔助密封圈等,靜環(huán)與動(dòng)環(huán)的接觸面為密封工作面。

噴水推進(jìn)裝置對機(jī)械密封的特殊要求

  噴水推進(jìn)裝置機(jī)械密封的使用環(huán)境較常規(guī)陸用機(jī)械密封惡劣得多:海水的腐蝕、淺水航區(qū)的泥沙磨損、船體尾部的振動(dòng)、狹小的安裝空間等,對確保機(jī)械密封的性能和使用壽命提出了新的課題,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

  (1) 較大的軸向和徑向補(bǔ)償以及良好密封性

  噴水推進(jìn)在啟動(dòng)工作時(shí),因?yàn)檩S承間隙、尺寸誤差、船體變形等原因,軸系會(huì)有較大的軸向顫動(dòng);船的振動(dòng)及軸系安裝誤差也會(huì)帶來軸系的徑向顫動(dòng),加上溫度變化對葉輪軸尺寸的影響,這些因素將直接影響到機(jī)械密封的密封性能,因此泵密封、軸密封較陸用機(jī)械密封的設(shè)計(jì)要求有更大的軸向和徑向顫動(dòng)補(bǔ)償功能。目前國內(nèi)5 000 kW 功率噴水推進(jìn)用機(jī)械密封的軸向補(bǔ)償要求達(dá)到8 mm, 徑向補(bǔ)償單邊1.5 mm。同螺旋槳使用的艉軸密封相比,因?yàn)檩S承型式及軸系的布置不同,及螺旋槳的結(jié)構(gòu)相對簡單,同規(guī)格螺旋槳用的艉軸密封的軸向竄動(dòng)約為3 mm,相對較小。陸用的機(jī)械密封,軸向、徑向補(bǔ)償量也小很多,以攪拌裝置的機(jī)械密封為例,同規(guī)格的機(jī)械密封的軸向補(bǔ)償不到4 mm;同時(shí),用于噴水推進(jìn)的機(jī)械密封比陸用機(jī)械密封的密封性要求更高。軸向補(bǔ)償大,隨之帶來的問題是:彈簧在壓縮量最小時(shí),泄漏量要滿足要求;彈簧在壓縮量最大時(shí),摩擦副磨損量和發(fā)熱量要滿足要求,而兩種工況是互相影響、互相牽制的,這也是研制的難點(diǎn)。就密封性而言,本次研制的泵密封和軸密封的泄漏量要求為5 mL/h(泵密封)、10 mL/h(軸密封),要求遠(yuǎn)高于以往同規(guī)格的螺旋槳用艉軸機(jī)械密封(以往螺旋槳用艉軸機(jī)械密封的泄漏量考核為“滴水不成線”,一般為30 mL/h),因此增加了研制難度。

  (2) 外形尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性要求高

  噴水推進(jìn)大部分應(yīng)用在高速船上,因此對質(zhì)量的要求比較嚴(yán)格;而且船上的空間也比較狹小,因此噴水推進(jìn)用機(jī)械密封外形尺寸相對較小,結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊,尤其是泵密封,它安裝在噴水推進(jìn)泵葉輪輪轂內(nèi),結(jié)構(gòu)要特殊設(shè)計(jì)才能滿足有限空間的布置要求;此外,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用的材料均要求有很好可靠性。

  (3) 良好的耐海水腐蝕和防泥砂性能

  因使用環(huán)境是海水,在近海區(qū)海水中還有泥砂,因此泵密封、軸密封設(shè)計(jì)要求防海水腐蝕,并考慮到泥砂的影響,因而對結(jié)構(gòu)和材料方面有特殊的要求。

  綜上所述,噴水推進(jìn)用泵密封和軸密封的技術(shù)難度遠(yuǎn)大于陸用機(jī)械密封。在某型艦艇研制時(shí),國內(nèi)還未有成熟的配套產(chǎn)品可選用,因此只能自行研制。下面以某型國內(nèi)最大功率噴水推進(jìn)的泵密封和軸密封的研制為例,對其關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行研究。

試驗(yàn)及實(shí)船驗(yàn)證

  機(jī)械密封研制的一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)就是要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)康闹饕强己苏w密封裝置設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)是否合理規(guī)范、裝拆是否簡便、考核密封裝置的密封性能是否穩(wěn)定可靠、考核密封裝置的摩擦副匹配合理性、考核密封裝置的整體壽命和泄漏量能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

  機(jī)械密封試驗(yàn)考核的主要內(nèi)容為:在極端工況下,介質(zhì)的溫度、密封的泄漏量及密封長期運(yùn)轉(zhuǎn)后的摩擦副的磨損量。這些考核參數(shù)關(guān)系到機(jī)械密封的密封性、可靠性和使用壽命。

  臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果:在最高轉(zhuǎn)速、最大工作壓力、彈簧壓縮量最小時(shí),泄漏量只有每小時(shí)幾滴(不到1 ml/h),小于要求的5 ml/h 或10 ml/h;彈簧壓縮量最大時(shí),進(jìn)行了120 h 的耐磨試驗(yàn),泄漏量接近零,磨損量小于0.01 mm,溫度等均滿足要求。

  由于臺(tái)架試驗(yàn)并不能全模擬實(shí)船工況,因而新產(chǎn)品研制是否成功,最終是要通過實(shí)船來考核、驗(yàn)證的。國內(nèi)某型最大功率噴水推進(jìn)用泵密封和軸密封已通過裝船考核,驗(yàn)證了機(jī)械密封計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

結(jié)論

  噴水推進(jìn)裝置用機(jī)械密封(泵密封和軸密封),密封性是重要的考核指標(biāo),但可靠性和防腐性是其不可忽視的兩個(gè)方面,因此從設(shè)計(jì)和考核驗(yàn)證上都要進(jìn)行考慮。經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)和裝船考核,兩型機(jī)械密封均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,已成功應(yīng)用在國內(nèi)最大功率的噴水推進(jìn)裝置上并交付使用,兩型機(jī)械密封的技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。