船用噴水推進裝置機械密封的研制

2013-10-20 楊衛國海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室

　　噴水推進裝置機械密封分為泵密封和軸密封。該文在分析噴水推進裝置機械密封的特殊使用要求及機械密封的工作原理的基礎上，通過研究噴水推進機械密封的關鍵性能和特殊要求，重點研究關鍵性能技術和實現途徑。在一定的力學計算基礎上，論述了設計中需關注的重點，并進行相應的試驗論證，所獲得的結論對改進噴水推進機械密封的性能和應用提供一定的依據，并對大功率噴水推進的持續發展提供一定的基礎。

　　噴水推進是一種利用推進泵噴出的高速水流的反作用力推動水中載體前進的推進設備。推進泵一般由泵殼、葉輪、導葉、軸系等組成，存在軸承的潤滑與密封等問題。噴水推進泵上有泵密封和軸密封兩種方式的密封。在推進泵輪轂內的密封為泵密封，它的作用是避免推進泵輪轂內潤滑油的泄漏和外部海水的侵入(見圖1)。

泵密封安裝位置

圖1 泵密封安裝位置

　　在與葉輪相聯的扭矩軸穿過艙壁處設置有軸密封，它的作用是避免流道中的海水通過旋轉的葉輪軸侵入艇體(見圖2)。本文主要介紹使用機械密封的泵密封和軸密封的研制。

軸密封的安裝位置

圖2 軸密封的安裝位置

　　機械密封是靠垂直于軸線作相對滑動的摩擦副端面，在流體壓力和補償機構彈簧力的作用下，使摩擦副始終保持貼合以起到阻漏的作用。主要結構件有：靜環、動環、彈性元件、輔助密封圈等，靜環與動環的接觸面為密封工作面。

噴水推進裝置對機械密封的特殊要求

　　噴水推進裝置機械密封的使用環境較常規陸用機械密封惡劣得多：海水的腐蝕、淺水航區的泥沙磨損、船體尾部的振動、狹小的安裝空間等，對確保機械密封的性能和使用壽命提出了新的課題，主要體現在以下幾點：

　　(1) 較大的軸向和徑向補償以及良好密封性

　　噴水推進在啟動工作時，因為軸承間隙、尺寸誤差、船體變形等原因，軸系會有較大的軸向顫動;船的振動及軸系安裝誤差也會帶來軸系的徑向顫動，加上溫度變化對葉輪軸尺寸的影響，這些因素將直接影響到機械密封的密封性能，因此泵密封、軸密封較陸用機械密封的設計要求有更大的軸向和徑向顫動補償功能。目前國內5 000 kW 功率噴水推進用機械密封的軸向補償要求達到8 mm，徑向補償單邊1.5 mm。同螺旋槳使用的艉軸密封相比，因為軸承型式及軸系的布置不同，及螺旋槳的結構相對簡單，同規格螺旋槳用的艉軸密封的軸向竄動約為3 mm，相對較小。陸用的機械密封，軸向、徑向補償量也小很多，以攪拌裝置的機械密封為例，同規格的機械密封的軸向補償不到4 mm;同時，用于噴水推進的機械密封比陸用機械密封的密封性要求更高。軸向補償大，隨之帶來的問題是：彈簧在壓縮量最小時，泄漏量要滿足要求;彈簧在壓縮量最大時，摩擦副磨損量和發熱量要滿足要求，而兩種工況是互相影響、互相牽制的，這也是研制的難點。就密封性而言，本次研制的泵密封和軸密封的泄漏量要求為5 mL/h(泵密封)、10 mL/h(軸密封)，要求遠高于以往同規格的螺旋槳用艉軸機械密封(以往螺旋槳用艉軸機械密封的泄漏量考核為“滴水不成線”，一般為30 mL/h)，因此增加了研制難度。

　　(2) 外形尺寸小、結構緊湊、可靠性要求高

　　噴水推進大部分應用在高速船上，因此對質量的要求比較嚴格;而且船上的空間也比較狹小，因此噴水推進用機械密封外形尺寸相對較小，結構相當緊湊，尤其是泵密封，它安裝在噴水推進泵葉輪輪轂內，結構要特殊設計才能滿足有限空間的布置要求;此外，結構設計及選用的材料均要求有很好可靠性。

　　(3) 良好的耐海水腐蝕和防泥砂性能

　　因使用環境是海水，在近海區海水中還有泥砂，因此泵密封、軸密封設計要求防海水腐蝕，并考慮到泥砂的影響，因而對結構和材料方面有特殊的要求。

　　綜上所述，噴水推進用泵密封和軸密封的技術難度遠大于陸用機械密封。在某型艦艇研制時，國內還未有成熟的配套產品可選用，因此只能自行研制。下面以某型國內最大功率噴水推進的泵密封和軸密封的研制為例，對其關鍵技術及實現途徑進行研究。