狹窄密封腔的機械密封實現封液循環的研究與應用

摘 要：針對化工離心泵狹窄密封腔的雙端面機械密封，實現封液循環尤為困難。原因是在狹小的密封腔內，由于徑向尺寸和軸向尺寸都難以滿足有效的泵效環，來實現機械密封封液循環。本文介紹了另外一種方法，在狹窄密封腔的機械密封實現封液循環，給機械密封提供換熱與潤滑。

關鍵詞：機械密封；窄腔；沖洗系統；封液循環；

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、問題來源：窄泵腔實現封液循環

根據《ANSI/ASME B73.1M-1984 化工流程用臥式端吸離心泵》提供的泵腔標準，提供給機械密封使用的徑向和軸向空間很小，小軸徑的泵腔尺寸單邊空間不足10mm。因此，安裝在此標準泵腔上的機械密封單邊厚度也很小。

常規的機械密封利用其本身轉動的密封件上開設凹槽、小孔、螺紋等有泵送效應的循環冷卻結構[3]，用來實現封液循環，帶走摩擦副產生的熱量。

在狹窄的徑向空間里，額外設計泵效環帶動封液循環是不可能的。要做到雙端面機械密封沖洗系統內封液的循環，應該尋找另外的方法。

二、理論基礎：徑向滑動軸承無限短理論

在流體動壓潤滑的機械零件中最常見的是徑向滑動軸承。通常軸承孔的直徑比軸徑大2‰左右，當軸頸處于偏心位置時，兩個表面組成收斂楔形。通過軸頸的轉動，使潤滑膜產生流體動壓以支撐軸頸上的載荷。

軸頸旋轉將潤滑油帶入收斂間隙而產生流體動壓，油膜壓力與軸頸上的載荷平衡，其平衡位置偏于一側[1]。如圖1所示。

由幾何公式可推出h=C（1+cos ）（取cosα=1），再根據無限短徑向軸承理論和雷諾方程，求得任何已知間隙形狀的壓力分布公式

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

U： 轉速 ； ：粘度 ；L：軸向長度；

滑動軸承軸頸所受的軸向力與液體產生的壓力平衡。然而在機械密封中，軸頸與腔間是不受徑向方向力的，在軸頸與腔偏心后，軸頸旋轉只產生單純的流體壓力，在流體壓力的最高點將流體釋放即LBO口，與其呈O1、O2軸線對稱位置設置為LBI，LBI為壓力最低點，當LBI與LBO產生壓差時，就形成了封液循環，如圖2所示。

三、封液壓力分布：壓差最大的兩個點

雙端面機械密封的封液在一個密閉的系統內循環，將密封摩擦副產生的熱量帶出，封液循環過程中換熱冷卻后再進入密封。API682規定52、53系統的封液循環要通過密封本體設計提供循環動力。所以在圓周內，找出壓差最大的兩個點，作為封液的LBI與LBO口。

在徑向的一周內，選擇壓力最高的點作為封液出口LBO，有助于封液的排出。選擇壓力最低的點作為封液入口LBI，有助于封液的吸入。將徑向的一周分成360度，根據無限短徑向軸承理論和雷諾方程，再根據已知間隙形狀的壓力分布公式，做出數學模型曲線。如圖3所示。

數學模型圖3曲線顯示，如圖示旋轉方向和偏心位置，在135度方位上的液體壓力值最大，在225度方位上的液體壓力值為最小。因此，在設計機械密封封液的出入口時，LBO需設計在135度方位上，LBI需設計在225度方位上。此時的封液循環動力壓差可達到最大值，封液循環的越好。

四、機械密封的設計要點

1、機械密封的內部封液排氣

機械密封的運轉離不開封液，封液中如果有氣體，會嚴重影響封液的循環而導致密封的失效。普通的機械密封都會將封液出口設計在機械密封的正上方，以便于封液排氣。

用本文所講的泵效方式，在機械密封運轉時，軸套是高速旋轉的，封液受離心力的作用下被推到軸套的外側。因此在密封內部封液中氣泡被封液擠到附著在軸套的表面。在軸套上設計軸向方向的導向槽，可以將所有的氣泡導出。有了此項功能，封液出口LBO就不用一定設計在最上方，并且在雙支撐的泵用密封，驅動端和非驅動端可實現使用相同密封（端蓋相同），機械密封安裝時按旋轉方向調整好進、出口位置即可，這樣設計后每臺泵將節省一套機械密封備件。

2、增大封液流量

在封液能達到循環的同時，為了增大封液的流量，端蓋上封液進出口的引壓槽設計，拓寬封液通道，增加封液的流量。同時也能方便封液中的氣泡導出。

3、偏心量設置

端蓋與軸套間偏心泵效偏心量的確定，避讓軸跳引起的軸套與端蓋摩擦，還需要保證泵效能力。偏心量越大時泵效能力越好好，但軸套與端蓋容易刮碰；偏心量越小時泵效能力則不夠。因此選擇適當的偏心量對機械密封的使用尤為重要。可根據設備的軸跳狀況，盡可能的設計較大偏心量。

五、封液流量：泵效能力測試

機械密封的端蓋和軸套的特殊設計，根據液體滑動軸承理論，端蓋內孔和軸套外徑需要通過相對位置偏心，使封液具有自循環效果，通過調整參數，使循環流量達到密封使用條件。沒有泵效環等零件也可以使封液循環。

偏心泵效能力測試是試驗過程的一個重要環節，驗證泵效能力曲線與計算相符程度，并且能驗證其循環量滿足機封所需。經過幾組軸徑和兩種轉速的實驗數據，繪制偏心泵效流量曲線圖，如圖4所示。數據顯示的流量完全滿足機械密封換熱需求。

六、結束語

此種方法自研發以來，目前在國內的各大企業都有廣泛應用，為狹窄密封腔的離心泵在使用雙端面機械密封時提供了良好的技術支撐。通過大量的實踐證明，本文所述方法來實現封液循環完全可行，并有良好的發展前景。

參考文獻：

[1]《摩擦學原理》（第4版）溫詩鑄.黃平著[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2] 陳德才，崔德榮. 機械密封設計制造與使用[M]. 北京：機械工業出版社，1993.

[3] 顧永泉. 機械密封實用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2001.

[4] ANSI/ASME B73.1M-1984 化工流程用臥式端吸離心泵[S]

[5] GB/T5661-2004 軸向吸入離心泵機械密封和軟填料用空腔尺寸[S] 2004.6

[6] API682 離心泵與轉子泵的軸封系統（第三版）[S] 2005.8

作者簡介：

楊正寬（1982—），本科，工程師，從事合成橡膠后處理干燥設備研發、設計。