一種新型自動調節填料密封結構設計及應用

唐小勇

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司水電科學研究院，廣西 南寧 530000）

填料密封是一種使用歷史長遠的密封，因其結構簡單、成本低廉、拆裝和維護方便的特點[1，2]，在多種行業的旋轉和往復運動機械中使用。填料密封存在泄漏量隨運行時間增加而增加，需人工定時調節壓緊填料，運行工況下無法人工難題，限制了填料密封的使用行業與場合。近幾年，許多從事填料密封的研究工作者，在密封的機理以及結構研究上做了大量的工作[3，4]，使得填料密封的結構更為科學合理，諸如能適用于高壓、高速、高真空以及強腐蝕等苛刻工況要求[5-7]。為進一步優化填料密封的結構，提升填料密封的適用性和使用范圍。針對現有填料密封的問題，設計了一種新型自動平衡填料密封結構。

1 填料密封的結構及工作原理

傳統填料密封結構如圖1所示。

圖1 傳統填料密封結構示意圖

填料密封主要由填料箱、軟填料和壓蓋組成。填料放在填料箱內部，通過擰緊壓蓋螺栓使壓蓋對填料軸向壓縮，填料相對均勻地填充在箱體與轉軸之間。由于填料為塑性材料，在軸向力的作用下，填料會在轉軸和箱體間徑向膨脹產生作用力，從而充滿箱體與轉軸間的空間，使得填料與轉軸緊密接觸，達到阻止介質泄漏的目的[8，9]。但填料與轉軸的接觸狀態為非均勻接觸，接觸部分在填料與轉軸間呈現為“邊界潤滑”狀態；而未接觸的凹部形成小油槽，有較厚的油膜，接觸部位與非接觸部位組成一道不規則的迷宮，起阻止液流泄漏的作用，此稱“迷宮效應”[10]。填料密封工作時，填料與軸、填料箱間直接接觸，在往復或旋轉運動中會發生摩擦磨損，其中填料和桿件這對摩擦副是影響填料密封可靠性、耐久性和穩定性的主要因素[11]。一方面，填料的磨損會增加填料與軸/閥桿之間的環形間隙進而引起介質的泄漏，縮短填料的密封壽命；另一方面，摩擦力的大小直接關系到設備運行過程中的可操作性及能耗問題[12]。由于轉軸的持續轉動，填料與轉軸間的摩擦磨損導致間隙增大，因此，需要定期調節和壓緊填料使填料與轉軸的間隙處在合理范圍內。

考慮到安全因素，設備運行時不能進行填料的壓緊調節工作，填料的壓緊和更換工作需在設備停機時才可進行[10]。為使每次填料壓緊后能保持更長時間的密封效果，通常會施加一個較大的力，使得軟填料的松緊程度大于設計的最適宜值，即表現為階梯式調節。階梯式的調節方式是影響填料密封廣泛應用的一個主要弊端。在前期，填料被壓得過于緊密，填料與轉軸之間接觸面積增加，導致填料與轉軸磨損嚴重，增大摩擦功耗；隨著使用時間的增加填料逐漸磨損，填料與轉軸間的接觸面積逐漸減少，密封效果下降泄漏量也會逐漸增加。傳統填料密封這種只能階梯式調節的方式嚴重限制了密封的受用場合。

2 新型自動調節填料密封結構設計及工作原理

針對上述缺陷，文中對現有填料密封進行改進，設計了一種新型自動調節填料密封。顛覆了傳統意義上的填料壓緊和調節方式，可以根據被密封介質壓力自動連續調節填料壓緊力。既不需要停車停產和人工調節，還能使填料壓緊力時刻保持在最佳密封區間，減少功耗和磨損、降低泄漏量、延長使用壽命。

自動調節填料密封結構如圖2所示。

圖2 自動調節填料密封結構示意圖

新型填料密封相較于傳統密封多了結構件橡膠氣囊（件1）和頂蓋（件3）。其中橡膠氣囊為新型填料密封的核心關鍵所在。氣囊的放置在壓蓋和頂蓋之間，通過氣囊的膨脹和縮小調節壓蓋對填料的壓緊力。氣囊膨脹時，氣囊擠壓壓蓋壓緊填料，使得填料更緊實與轉軸接觸緊密減少泄漏；氣囊縮小時，氣囊對壓蓋的作用力減少，填料在自身的彈性力作用下會變得蓬松，減少與轉軸的摩擦磨損。

新型自動平衡填料密封結構與傳統填料密封結構大體相同、工作原理相似，因此，結構設計與傳統填料密封結構設計基本相同。新型填料密封的壓蓋壓緊力是通過氣囊內部的壓力膨脹產生，且氣囊的內部壓力與介質側的壓力相同，但填料的壓緊力需要數倍的介質壓力，所以需要壓蓋氣囊側截面積要數倍于填料側的截面積，因此新型填料密封壓蓋的實際結構需根據實際工況進行設計。

傳統填料密封壓蓋的壓緊比壓需要達到介質壓力的3～7倍[13]，是因為壓蓋的調節是階梯式的，每次壓緊后必須留有余量，所以需要較大的壓緊比。新型填料密封可以實時自動調節壓蓋的壓力，可選取略小于傳統填料密封的比壓，因此，壓蓋的比壓可選取為介質壓力的2～4倍。在壓蓋的設計時需要考慮密封的實際工況，將壓蓋氣囊側端面面積設計成填料側端面面積的2～4倍，就可實現壓蓋的壓緊比壓為2～4倍的目標。

氣囊內部通過氣嘴與被密封腔內部相連通，可使氣囊內部壓力與被密封腔內部壓力相同，并且可以隨著被密封介質的壓力變化而變化，氣囊隨著壓力的變化呈現膨脹或收縮轉換成作用力作用在壓蓋上，從而連續調節填料的壓緊力，實現填料密封的自動連續調節功能，使填料壓緊力總是處于合理區間。避免了傳統填料密封無法實時調節壓緊力而出現的種種缺陷，有效地解決了填料壓緊需人工階梯式調節和運行工況中無法調節壓緊力的難題。因而使用新型填料密封可以節約能耗延長使用壽命，降低人工工作強度，即降低填料與轉軸的摩擦磨損，杜絕出現泄漏量隨運行時間增加的問題。

若在一些特殊要求場合，氣囊氣嘴可與人工控制的氣路相通，通過人工控制氣壓調節氣囊內部壓力，這連接方式可以根據實際情況調節壓蓋達到任意需求的壓緊比，能夠實現人工遠方特殊工況要求調節，做到自動控制與調節，極大地提高了填料密封的適用性和可操作性，進一步拓展了填料密封的適用范圍。

理論上所有使用傳統填料密封的場合都可以使用新型自動調節填料密封，不僅可以代替傳統填料密封，還能提升密封性能和降低成本，改善工人的工作環境。此外，諸如高壓、高速、高真空以及強腐蝕等苛刻工況要求場合也可以使用新型自動平衡填料密封，由于新型填料密封具備自動調節的能力，能做到自動調節壓緊比壓，保障密封效果良好的前提下，可以很好地適應介質壓力的變化。

3 自動平衡調料密封結構的應用

某電廠貫流式水輪發電機組的主軸密封采用傳統的填料密封結構，由于管型座附近空間狹窄，水輪機組的轉軸直徑較大導致主軸密封尺寸較大。每次檢修或者更換盤根后需要調整壓蓋壓緊力，由于空間狹窄，力矩扳手不易于使用，實際中大多是根據經驗人工擰緊螺栓壓緊，通常無法及時確定填料壓緊程度是否符合要求，需要開機啟動后運轉一段時間，通過密封的溫度監控系統觀察密封溫度是否超標，如果溫度超標，需要再次停機才能調整填料和調節壓緊力，加之空間狹窄吊裝不方便非常不便于安裝，一次調整將花費很長時間，嚴重影響正常生產。將該新型自動填料密封應用到貫流式水輪發電機組后，很好地解決了因填料密封需要頻繁停機調整填料和壓緊力的問題，還能根據水頭的變化自動調節填料的壓緊力，減少泄漏量，降低功耗增加發電量，延長填料使用壽命，節約使用成本。

此次設計的新型填料密封，成功地解決了電廠貫流式水輪發電機組的泄漏量大、吊裝調整困難及檢修費用高等問題，對于提高電廠發電質量起到了保障作用。另外，該新型自動調節填料設計已取得國家實用新型專利授權（專利號：ZL202021883712.X）。