狭窄密封腔的机械密封实现封液循环的研究与应用

2019-04-17杨正宽

科学与财富 2019年17期

摘要：针对化工离心泵狭窄密封腔的双端面机械密封，实现封液循环尤为困难。原因是在狭小的密封腔内，由于径向尺寸和轴向尺寸都难以满足有效的泵效环，来实现机械密封封液循环。本文介绍了另外一种方法，在狭窄密封腔的机械密封实现封液循环，给机械密封提供换热与润滑。

关键词：机械密封；窄腔；冲洗系统；封液循环；

Research and Application of Mechanical Seal with Narrow Seal Cavity to Realize Sealing Cycle

Yang Zhengkuan

（Dalian Tiansheng General Machinery Co.，Ltd. Dalian Liaoning 116025， China）

Abstract：It is particularly difficult to realize liquid seal circulation for the double-end mechanical seal of narrow sealing chamber of chemical centrifugal pump. The reason is that in the narrow sealing chamber， because the radial and axial dimensions are difficult to meet the effective pump ring， to achieve the mechanical seal liquid circulation. In this paper， another method is introduced， which realizes sealing liquid circulation in mechanical seals with narrow sealing chambers， and provides heat transfer and lubrication for mechanical seals.

Keywords： Mechanical seal； Narrow chamber； Flushing system； Sealing fluid circulation；

一、问题来源：窄泵腔实现封液循环

根据《ANSI/ASME B73.1M-1984 化工流程用卧式端吸离心泵》提供的泵腔标准，提供给机械密封使用的径向和轴向空间很小，小轴径的泵腔尺寸单边空间不足10mm。因此，安装在此标准泵腔上的机械密封单边厚度也很小。

常规的机械密封利用其本身转动的密封件上开设凹槽、小孔、螺纹等有泵送效应的循环冷却结构[3]，用來实现封液循环，带走摩擦副产生的热量。

在狭窄的径向空间里，额外设计泵效环带动封液循环是不可能的。要做到双端面机械密封冲洗系统内封液的循环，应该寻找另外的方法。

二、理论基础：径向滑动轴承无限短理论

在流体动压润滑的机械零件中最常见的是径向滑动轴承。通常轴承孔的直径比轴径大2‰左右，当轴颈处于偏心位置时，两个表面组成收敛楔形。通过轴颈的转动，使润滑膜产生流体动压以支撑轴颈上的载荷。

轴颈旋转将润滑油带入收敛间隙而产生流体动压，油膜压力与轴颈上的载荷平衡，其平衡位置偏于一侧[1]。如图1所示。

由几何公式可推出h=C（1+cos ）（取cosα=1），再根据无限短径向轴承理论和雷诺方程，求得任何已知间隙形状的压力分布公式

：偏心率， =e/C， e=偏心距，C=R1-R 2， R1腔尺寸，R2 轴尺寸

U：转速；：粘度；L：轴向长度；

滑动轴承轴颈所受的轴向力与液体产生的压力平衡。然而在机械密封中，轴颈与腔间是不受径向方向力的，在轴颈与腔偏心后，轴颈旋转只产生单纯的流体压力，在流体压力的最高点将流体释放即LBO口，与其呈O1、O2轴线对称位置设置为LBI，LBI为压力最低点，当LBI与LBO产生压差时，就形成了封液循环，如图2所示。

三、封液压力分布：压差最大的两个点

双端面机械密封的封液在一个密闭的系统内循环，将密封摩擦副产生的热量带出，封液循环过程中换热冷却后再进入密封。API682规定52、53系统的封液循环要通过密封本体设计提供循环动力。所以在圆周内，找出压差最大的两个点，作为封液的LBI与LBO口。

在径向的一周内，选择压力最高的点作为封液出口LBO，有助于封液的排出。选择压力最低的点作为封液入口LBI，有助于封液的吸入。将径向的一周分成360度，根据无限短径向轴承理论和雷诺方程，再根据已知间隙形状的压力分布公式，做出数学模型曲线。如图3所示。

数学模型图3曲线显示，如图示旋转方向和偏心位置，在135度方位上的液体压力值最大，在225度方位上的液体压力值为最小。因此，在设计机械密封封液的出入口时，LBO需设计在135度方位上，LBI需设计在225度方位上。此时的封液循环动力压差可达到最大值，封液循环的越好。

四、机械密封的设计要点

1、机械密封的内部封液排气

机械密封的运转离不开封液，封液中如果有气体，会严重影响封液的循环而导致密封的失效。普通的机械密封都会将封液出口设计在机械密封的正上方，以便于封液排气。

用本文所讲的泵效方式，在机械密封运转时，轴套是高速旋转的，封液受离心力的作用下被推到轴套的外侧。因此在密封内部封液中气泡被封液挤到附着在轴套的表面。在轴套上设计轴向方向的导向槽，可以将所有的气泡导出。有了此项功能，封液出口LBO就不用一定设计在最上方，并且在双支撑的泵用密封，驱动端和非驱动端可实现使用相同密封（端盖相同），机械密封安装时按旋转方向调整好进、出口位置即可，这样设计后每台泵将节省一套机械密封备件。

2、增大封液流量

在封液能达到循环的同时，为了增大封液的流量，端盖上封液进出口的引压槽设计，拓宽封液通道，增加封液的流量。同时也能方便封液中的气泡导出。

3、偏心量设置

端盖与轴套间偏心泵效偏心量的确定，避让轴跳引起的轴套与端盖摩擦，还需要保证泵效能力。偏心量越大时泵效能力越好好，但轴套与端盖容易刮碰；偏心量越小时泵效能力则不够。因此选择适当的偏心量对机械密封的使用尤为重要。可根据设备的轴跳状况，尽可能的设计较大偏心量。

五、封液流量：泵效能力测试

机械密封的端盖和轴套的特殊设计，根据液体滑动轴承理论，端盖内孔和轴套外径需要通过相对位置偏心，使封液具有自循环效果，通过调整参数，使循环流量达到密封使用条件。没有泵效环等零件也可以使封液循环。

偏心泵效能力测试是试验过程的一个重要环节，验证泵效能力曲线与计算相符程度，并且能验证其循环量满足机封所需。经过几组轴径和两种转速的实验数据，绘制偏心泵效流量曲线图，如图4所示。数据显示的流量完全满足机械密封换热需求。

六、结束语

此种方法自研发以来，目前在国内的各大企业都有广泛应用，为狭窄密封腔的离心泵在使用双端面机械密封时提供了良好的技术支撑。通过大量的实践证明，本文所述方法来实现封液循环完全可行，并有良好的发展前景。

参考文献：

[1]《摩擦学原理》（第4版）温诗铸.黄平著[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2] 陈德才，崔德荣. 机械密封设计制造与使用[M]. 北京：机械工业出版社，1993.