潛水電泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

王雙波

（泉州市市政工程管理處，福建泉州362000）

1 機(jī)械密封

機(jī)械密封的功能可描述為：作為一種動(dòng)密封的存在，使經(jīng)過動(dòng)密封面不可避免發(fā)生的泄漏量盡量減少。而機(jī)械密封泄漏少應(yīng)視作產(chǎn)品質(zhì)量高的一個(gè)重要標(biāo)志。

壓差ΔP的方向是趨向于把機(jī)械密封工作壓力彈簧推開，因此有平衡型和非平衡型機(jī)械密封兩種結(jié)構(gòu)形式之分，非平衡型機(jī)械密封允許工作壓力較低（ΔP≤0.8 MPa），平衡型機(jī)械密封允許工作壓力較高（ΔP≤3 MPa）。不論是干式還是濕式潛水電泵，由于機(jī)械密封都是安裝在出軸端外側(cè)的軸伸端，軸伸端的直徑一般都必須小于端蓋內(nèi)軸承檔的直徑，才能實(shí)現(xiàn)正常的裝配，因此一般都毫無例外地選用非平衡型機(jī)械密封。

P1在高壓側(cè)，即被密封介質(zhì)試圖經(jīng)密封面減壓的一側(cè)（kgf/cm2）；P2在低壓側(cè)，即被密封介質(zhì)，當(dāng)密封泄漏時(shí)壓力被提高的一側(cè)（kgf/cm2）。

2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為減小機(jī)械密封在潛水泵工作狀態(tài)下的泄漏量，潛水電泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)特別值得注意：

（1）受潛水電泵軸向尺寸鏈累計(jì)公差的影響，機(jī)械密封軸向尺寸安裝誤差應(yīng)≤0.5 mm的要求難以滿足，特別是軸承系的設(shè)計(jì)，為防止軸向尺寸的干涉，使軸向力能落實(shí)到推力軸承的承載面，必須留有軸向竄量，更大大增加了機(jī)械密封安裝和調(diào)整的困難，可以說幾乎沒有一次裝配機(jī)械密封可以調(diào)整到合理的軸向位置。

（2）即使是合格的機(jī)械密封，又得到合理裝配機(jī)械密封工藝的保證，機(jī)械密封的泄漏量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)，對(duì)長期運(yùn)行的潛水電泵特別是中大型泵站用機(jī)械密封仍然是不可接受的。例如每小時(shí)5 mL的泄漏量，在一次大修間隔期8 000 h，將達(dá)40 L（即40 kg）的泄漏水進(jìn)入潛水電機(jī)或潛水泵油室，完全有可能使電機(jī)的線圈端部浸泡在水中，或提前多次出現(xiàn)電機(jī)腔內(nèi)進(jìn)水報(bào)警；同樣，潛水泵的油室也不允許如此大量的水進(jìn)入，否則會(huì)導(dǎo)致油室中數(shù)百升的潤滑油由于進(jìn)水被乳化，需要整體更換潤滑油，從而縮短了檢修和維護(hù)保養(yǎng)的周期。

要解決以上問題，單純要求機(jī)械密封制造行業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)或更重要的是，潛水電泵的設(shè)計(jì)應(yīng)提供機(jī)械密封的合理工作條件。其一，使用質(zhì)量合格的機(jī)械密封能盡量減小泄漏量；其二，應(yīng)改進(jìn)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使?jié)撍姳幂S不可避免的軸向竄量不影響機(jī)械密封的軸向安裝允用調(diào)整量；其三，潛水電泵應(yīng)對(duì)不可避免的機(jī)械密封動(dòng)密封泄漏有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，對(duì)此泄漏量有較大的容忍度；其四，應(yīng)設(shè)法降低首道機(jī)械密封的密封介質(zhì)之間的壓差。

3 潛水電泵首道機(jī)械密封泄壓裝置設(shè)計(jì)

從圖1可以看出潛水電泵的首道機(jī)械密封處于葉輪的后側(cè)，當(dāng)水泵工作時(shí)，經(jīng)葉輪的加壓，機(jī)械密封所在腔體空間的壓力P1即等于全揚(yáng)程H所建立的壓力，即bar，ρ是泵送液體的比重，以水在4℃時(shí)的比得為1.0。在以下分析中，如無特別注明，取1 bar≈1 kg/cm2，而機(jī)械密封的內(nèi)腔（一般是油池），如未作內(nèi)腔加壓注入氣體（通常為氮?dú)猓┘礊檎４髿鈮害?，取相對(duì)壓力ρ0=0，因所取機(jī)械密封的壓差ΔP=P1-ρ0=P1，故首道機(jī)械密封的壓差就是水泵全揚(yáng)程建立的壓力。

圖1 典型泵站結(jié)構(gòu)圖

新型潛水軸流泵、潛水混流泵的設(shè)計(jì)，在葉輪轂導(dǎo)葉的接合處設(shè)有如同離心泵一樣的磨損環(huán)和口環(huán)，形成密封間隙環(huán)，稱為迷宮環(huán)，如圖2所示。

圖2 首道機(jī)械密封減壓裝置

假設(shè)葉輪轂迷宮環(huán)部分的直徑為DG，迷宮環(huán)的徑向單邊間隙δ=（0.002 5～0.003）DG，約1 mm，高度約（0.12～15）DG，葉輪轂和導(dǎo)葉體對(duì)應(yīng)平面之間的軸向距離約（0.02～0.03）DG。這樣設(shè)計(jì)的迷宮環(huán)能有效阻止纖維進(jìn)入首道機(jī)械密封所在的空間。

這一密封迷宮的存在為首道機(jī)械密封泄壓創(chuàng)造了條件，在首道機(jī)械密封腔內(nèi)，設(shè)置一個(gè)通道與進(jìn)水池聯(lián)通（圖1、圖2），經(jīng)迷宮環(huán)以壓力P1進(jìn)入首道機(jī)械密封腔內(nèi)，經(jīng)通道與周圍環(huán)境水相聯(lián)通，此處環(huán)境水的壓力是進(jìn)入池的淹沒深度Hs產(chǎn)生的壓因?yàn)檠蜎]深度一般都小于泵的排水全揚(yáng)程H，對(duì)軸流泵HS≈（1/5～1/2）H，對(duì)混流泵HS≈（1/8～1/3）H，對(duì)離心泵或多級(jí)離心泵也可以采用首道機(jī)械密封減壓技術(shù)，此時(shí)HS≈（1/200～1/10）H。

首道機(jī)械密封腔內(nèi)壓力：

當(dāng)泄壓孔開得很大，泄壓部位完全開放，機(jī)械密封所在腔體完全與進(jìn)水池聯(lián)通，此腔體所承受的水壓就是進(jìn)水池水位（淹沒深度HS）所形成的水壓P0，此時(shí)首道機(jī)械密封承受的壓差ΔP≈P0，一般HS都不到2 m，也就是ΔP≈0.002 MPa左右；而當(dāng)泄壓孔開得很小，P2=P0+（P1-P0）=P1，也就是如果泄壓孔開得過小，機(jī)械密封腔泄壓效果很差。當(dāng)泄壓孔的面積S2達(dá)到密封環(huán)間隙面積S1的2倍（S2/S1=2）時(shí)，在首道機(jī)械密封腔內(nèi)，由泵揚(yáng)程產(chǎn)生的壓力已泄壓85%，只剩余15%，基本上已接近于進(jìn)出池的壓力P0。

4 結(jié)語

首道機(jī)械密封所在的腔體經(jīng)聯(lián)通管及泄壓孔與進(jìn)水池聯(lián)通，經(jīng)合理設(shè)計(jì)計(jì)算迷宮環(huán)及泄壓孔的配合，使此密封腔內(nèi)的壓力從水泵的全揚(yáng)程下降到接近進(jìn)水池合理淹沒深度所產(chǎn)生的壓力。由于壓力的減小首道機(jī)械密封的泄漏量顯著減小，改善了首道機(jī)械密封的工作條件，延長了首道機(jī)械密封的使用壽命。由于首道機(jī)械密封所在腔體壓力下降，使油室內(nèi)的壓力也減小，同時(shí)也改善了電機(jī)端機(jī)械密封的工作條件，減少了電機(jī)內(nèi)部進(jìn)油的可能性。