一种新型自动调节填料密封结构设计及应用

唐小勇

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学研究院，广西 南宁 530000）

填料密封是一种使用历史长远的密封，因其结构简单、成本低廉、拆装和维护方便的特点[1，2]，在多种行业的旋转和往复运动机械中使用。填料密封存在泄漏量随运行时间增加而增加，需人工定时调节压紧填料，运行工况下无法人工难题，限制了填料密封的使用行业与场合。近几年，许多从事填料密封的研究工作者，在密封的机理以及结构研究上做了大量的工作[3，4]，使得填料密封的结构更为科学合理，诸如能适用于高压、高速、高真空以及强腐蚀等苛刻工况要求[5-7]。为进一步优化填料密封的结构，提升填料密封的适用性和使用范围。针对现有填料密封的问题，设计了一种新型自动平衡填料密封结构。

1 填料密封的结构及工作原理

传统填料密封结构如图1所示。

图1 传统填料密封结构示意图

填料密封主要由填料箱、软填料和压盖组成。填料放在填料箱内部，通过拧紧压盖螺栓使压盖对填料轴向压缩，填料相对均匀地填充在箱体与转轴之间。由于填料为塑性材料，在轴向力的作用下，填料会在转轴和箱体间径向膨胀产生作用力，从而充满箱体与转轴间的空间，使得填料与转轴紧密接触，达到阻止介质泄漏的目的[8，9]。但填料与转轴的接触状态为非均匀接触，接触部分在填料与转轴间呈现为“边界润滑”状态；而未接触的凹部形成小油槽，有较厚的油膜，接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用，此称“迷宫效应”[10]。填料密封工作时，填料与轴、填料箱间直接接触，在往复或旋转运动中会发生摩擦磨损，其中填料和杆件这对摩擦副是影响填料密封可靠性、耐久性和稳定性的主要因素[11]。一方面，填料的磨损会增加填料与轴/阀杆之间的环形间隙进而引起介质的泄漏，缩短填料的密封寿命；另一方面，摩擦力的大小直接关系到设备运行过程中的可操作性及能耗问题[12]。由于转轴的持续转动，填料与转轴间的摩擦磨损导致间隙增大，因此，需要定期调节和压紧填料使填料与转轴的间隙处在合理范围内。

考虑到安全因素，设备运行时不能进行填料的压紧调节工作，填料的压紧和更换工作需在设备停机时才可进行[10]。为使每次填料压紧后能保持更长时间的密封效果，通常会施加一个较大的力，使得软填料的松紧程度大于设计的最适宜值，即表现为阶梯式调节。阶梯式的调节方式是影响填料密封广泛应用的一个主要弊端。在前期，填料被压得过于紧密，填料与转轴之间接触面积增加，导致填料与转轴磨损严重，增大摩擦功耗；随着使用时间的增加填料逐渐磨损，填料与转轴间的接触面积逐渐减少，密封效果下降泄漏量也会逐渐增加。传统填料密封这种只能阶梯式调节的方式严重限制了密封的受用场合。

2 新型自动调节填料密封结构设计及工作原理

针对上述缺陷，文中对现有填料密封进行改进，设计了一种新型自动调节填料密封。颠覆了传统意义上的填料压紧和调节方式，可以根据被密封介质压力自动连续调节填料压紧力。既不需要停车停产和人工调节，还能使填料压紧力时刻保持在最佳密封区间，减少功耗和磨损、降低泄漏量、延长使用寿命。

自动调节填料密封结构如图2所示。

图2 自动调节填料密封结构示意图

新型填料密封相较于传统密封多了结构件橡胶气囊（件1）和顶盖（件3）。其中橡胶气囊为新型填料密封的核心关键所在。气囊的放置在压盖和顶盖之间，通过气囊的膨胀和缩小调节压盖对填料的压紧力。气囊膨胀时，气囊挤压压盖压紧填料，使得填料更紧实与转轴接触紧密减少泄漏；气囊缩小时，气囊对压盖的作用力减少，填料在自身的弹性力作用下会变得蓬松，减少与转轴的摩擦磨损。

新型自动平衡填料密封结构与传统填料密封结构大体相同、工作原理相似，因此，结构设计与传统填料密封结构设计基本相同。新型填料密封的压盖压紧力是通过气囊内部的压力膨胀产生，且气囊的内部压力与介质侧的压力相同，但填料的压紧力需要数倍的介质压力，所以需要压盖气囊侧截面积要数倍于填料侧的截面积，因此新型填料密封压盖的实际结构需根据实际工况进行设计。

传统填料密封压盖的压紧比压需要达到介质压力的3～7倍[13]，是因为压盖的调节是阶梯式的，每次压紧后必须留有余量，所以需要较大的压紧比。新型填料密封可以实时自动调节压盖的压力，可选取略小于传统填料密封的比压，因此，压盖的比压可选取为介质压力的2～4倍。在压盖的设计时需要考虑密封的实际工况，将压盖气囊侧端面面积设计成填料侧端面面积的2～4倍，就可实现压盖的压紧比压为2～4倍的目标。

气囊内部通过气嘴与被密封腔内部相连通，可使气囊内部压力与被密封腔内部压力相同，并且可以随着被密封介质的压力变化而变化，气囊随着压力的变化呈现膨胀或收缩转换成作用力作用在压盖上，从而连续调节填料的压紧力，实现填料密封的自动连续调节功能，使填料压紧力总是处于合理区间。避免了传统填料密封无法实时调节压紧力而出现的种种缺陷，有效地解决了填料压紧需人工阶梯式调节和运行工况中无法调节压紧力的难题。因而使用新型填料密封可以节约能耗延长使用寿命，降低人工工作强度，即降低填料与转轴的摩擦磨损，杜绝出现泄漏量随运行时间增加的问题。

若在一些特殊要求场合，气囊气嘴可与人工控制的气路相通，通过人工控制气压调节气囊内部压力，这连接方式可以根据实际情况调节压盖达到任意需求的压紧比，能够实现人工远方特殊工况要求调节，做到自动控制与调节，极大地提高了填料密封的适用性和可操作性，进一步拓展了填料密封的适用范围。

理论上所有使用传统填料密封的场合都可以使用新型自动调节填料密封，不仅可以代替传统填料密封，还能提升密封性能和降低成本，改善工人的工作环境。此外，诸如高压、高速、高真空以及强腐蚀等苛刻工况要求场合也可以使用新型自动平衡填料密封，由于新型填料密封具备自动调节的能力，能做到自动调节压紧比压，保障密封效果良好的前提下，可以很好地适应介质压力的变化。

3 自动平衡调料密封结构的应用

某电厂贯流式水轮发电机组的主轴密封采用传统的填料密封结构，由于管型座附近空间狭窄，水轮机组的转轴直径较大导致主轴密封尺寸较大。每次检修或者更换盘根后需要调整压盖压紧力，由于空间狭窄，力矩扳手不易于使用，实际中大多是根据经验人工拧紧螺栓压紧，通常无法及时确定填料压紧程度是否符合要求，需要开机启动后运转一段时间，通过密封的温度监控系统观察密封温度是否超标，如果温度超标，需要再次停机才能调整填料和调节压紧力，加之空间狭窄吊装不方便非常不便于安装，一次调整将花费很长时间，严重影响正常生产。将该新型自动填料密封应用到贯流式水轮发电机组后，很好地解决了因填料密封需要频繁停机调整填料和压紧力的问题，还能根据水头的变化自动调节填料的压紧力，减少泄漏量，降低功耗增加发电量，延长填料使用寿命，节约使用成本。

此次设计的新型填料密封，成功地解决了电厂贯流式水轮发电机组的泄漏量大、吊装调整困难及检修费用高等问题，对于提高电厂发电质量起到了保障作用。另外，该新型自动调节填料设计已取得国家实用新型专利授权（专利号：ZL202021883712.X）。