離心泵油封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及應(yīng)用  

1　前言

　　燕化公司煉油廠100Y型油泵，原軸承箱壓蓋和轉(zhuǎn)軸之間的密封結(jié)構(gòu)為迷宮密封，在迷宮密封外加一防塵環(huán)，密封性能較差。由于泵的轉(zhuǎn)速較高，在離心力的作用下，軸承箱內(nèi)的潤(rùn)滑油沿軸從端蓋甩出，漏油現(xiàn)象非常普遍，造成軸承箱、聯(lián)軸器及周?chē)孛嬲礉M油污，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，同時(shí)造成不必要的潤(rùn)滑油浪費(fèi)，又嚴(yán)重污染了生產(chǎn)環(huán)境，影響文明生產(chǎn)和企業(yè)的達(dá)標(biāo)升級(jí)。如果操作員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還有可能造成機(jī)泵的損壞。因此，改進(jìn)原油封結(jié)構(gòu)，研制一種密封性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)的新型油封結(jié)構(gòu)以取代原油封是非常必要的。

　　2　原密封結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題
機(jī)泵運(yùn)行中由于油位限制，螺母下端浸入油池中，把潤(rùn)滑油攪起，沿壓蓋內(nèi)表面淌下，直接滴到旋轉(zhuǎn)軸上，軸上積油很多，被旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)，油沿軸爬行，進(jìn)入壓蓋與軸迷宮密封間隙，由于迷宮密封間隙較大，而且密封阻力較小，油一旦進(jìn)入迷宮難以打回，因而不斷沿軸外甩出，在軸端處形成積油，使迷宮和防塵環(huán)起不到密封作用，即發(fā)生漏油。從以上分析可以看出原油封結(jié)構(gòu)存在的主要問(wèn)題是軸承鎖緊螺母太大和迷宮密封間隙太大起不到有效的密封作用。
　　3　改進(jìn)方案的論證及初步選擇
　　新型防漏油結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：首先要保證結(jié)合部分的密閉性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造維修使用方便、成品低廉、工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。針對(duì)漏油的主要原因，應(yīng)從以下兩個(gè)方面入手進(jìn)行改進(jìn)，阻止漏油。
　?。?）、減少甩油量
　　軸承鎖緊螺母浸油深度（液面與鎖緊螺母的相對(duì)距離）是影響甩油量大小的一個(gè)重要因素。減小螺母直徑，可以減小浸油深度，減小攪油，從而減少落到軸上的油量，間接減少漏油量。
　?。?）、改進(jìn)原油封結(jié)構(gòu)
　　對(duì)其結(jié)構(gòu)分析，從密封原理角度講可考慮填塞或阻塞、分隔、引出或注入和流阻、反輸，以及這些方案組合等方法。首先對(duì)分隔，可采取機(jī)械密封。根據(jù)機(jī)械密封性能、適用范圍、壽命來(lái)看，機(jī)械密封都能適用，但機(jī)械密封價(jià)格高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需空間較大，拆裝不便，不適于這種小空間結(jié)構(gòu)。其次考慮采用引出或注入方法，能夠達(dá)到密封要求，但需要輔助裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而也不可取。再有考慮采用填塞和阻塞的方法，由于要求較長(zhǎng)的壽命，一些接觸型密封如氈圈、檔圈、密封圈、油封等與軸接觸磨損，壽命有限，不適合高速長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，而且易發(fā)生抱軸，因而排除。zui后考慮采用流阻或反輸，或采用綜合方案。流阻是利用密封件狹窄間隙或曲折途徑造成密封所需要的流體阻力。反輸是利用密封件對(duì)泄漏流體造成反壓，使之部分平衡或*平衡，將流體反輸?shù)缴嫌?，以達(dá)到密封的目的。其特點(diǎn)是無(wú)機(jī)械摩擦，結(jié)構(gòu)緊湊。流體反輸（也稱(chēng)動(dòng)壓）包括迷宮螺旋密封、動(dòng)密封、螺旋密封等?？紤]空間狹小、壽命長(zhǎng)、功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便、價(jià)格低等要求，采用流阻或反輸及其綜合方案*。在流阻或反輸方案中，螺旋密封zui能綜合滿足上述要求，因此優(yōu)先考慮螺旋密封。鑒于離心密封可與其它密封配合使用，為保證密效果，選定螺旋密封與離心密封組合形式。如圖－1所示：
　　4對(duì)于100Y泵的設(shè)計(jì)計(jì)算：
根據(jù)理論分析，螺旋密封螺旋角α其在5°6′時(shí)功率zui小，而15°39′時(shí)取同樣長(zhǎng)度密封壓力zui大，結(jié)合一些資料給出實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，兼顧密封壓力、功率消耗及結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，并留一定安全裕度，設(shè)計(jì)如下：[1]、[2]
　　4.1螺旋密封參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算
　?。?）、螺旋角α
對(duì)于100Y泵，軸端直徑為d=65mm，外伸軸段可用螺旋密封長(zhǎng)度L0=56.5mm，其軸端與聯(lián)軸器相聯(lián)，留7mm間隔，故取密封長(zhǎng)度L=39.5mm。由于長(zhǎng)度和直徑都較小，由密封壓力公式（見(jiàn)后面）[1]，密封壓力較小，故螺旋角選的較大，取為α=5°49′。那么α的正切值t=tanα=0.1019（此值由后面計(jì)算得出）。
　?。?）、相對(duì)槽寬u一般取u=0.5~1.0，這里u=a/（a+b）=0.75。
　?。?）、相對(duì)槽深υ一般取υ=2~10，取為υ=（c+h）/c=5。
　?。?）、密封間隙c推薦c=（0.6~2.6）/10000m取c=0.26mm，由于螺旋密封前有離心密封，可保證密封性能，取大間隙是為了防止由于加工誤差及安裝誤差，與軸發(fā)生摩擦。
　?。?）、槽深h，h由公式h=c*（υ-1）求得：h=0.26*（5-1）=1.04，取為h=1.0mm。
　　（6）、頭數(shù)i，頭數(shù)i由前面所討論的按螺旋頭數(shù)的選擇原則：高轉(zhuǎn)速（n>5000r/min），選單頭；低轉(zhuǎn)速（n<5000rmin）選多頭。由于本泵n=2950r/min，根據(jù)有關(guān)資料推薦，取i=4。
　?。?）、螺旋導(dǎo)程s，取s=16（取整便于加工）；則由
s=πd*tanα，α=5°49′。
　?。?）、螺旋槽寬a，齒寬b
由公式得a=πu*d*tanα/i=3.00mm
b=π*（1-u）*d*tanα/i=1.0mm
　　（9）、軸的角速ω及螺旋圓周速度v的計(jì)算：
ω=2πn/60=308.9rad/s
v=πn/60=7.6m/s
　?。?0）、螺旋按結(jié)構(gòu)選取長(zhǎng)度為L(zhǎng)=39.5mm
　?。?1）、螺旋密封壓力Δp ′，Δ p′=rωw d LCp/c2 [1]
　　　　　　　　 tu（1-u）（υ-1）（υ3-1）
其中： Cp= -----------------------------------
（1+t2）υ3+t2u（1-u）（υ3-1）2
把u=0.75，t=0.1019，υ=5.0代入得：Cp=0.178，按Cp=0.178，稀油潤(rùn)滑取粘度系數(shù)偏小μ=0.00223×9.8Pa/s，ω=308.9rad/s，d=0.065m，L=0.0395m，c=2.6×10-4
m代入，計(jì)算得Δ p`=35800Pa。
　?。?2）、螺旋密封功耗計(jì)算N[1]
N=πω2d3LCn/4c
Cn由公式求得： Cn=0.46，
　　 則N=14瓦
　　機(jī)泵電機(jī)額定功率為90KW，軸功率75KW，螺旋密封功耗為14W，可見(jiàn)功耗很小，對(duì)原機(jī)泵運(yùn)行不構(gòu)成影響。
　　4.2副葉輪離心密封的計(jì)算
　　副葉輪離心作用所產(chǎn)生的密封壓力差ΔP″計(jì)算公式為：[1]
ΔP″=k2ω2（R22-R12）r/ 2
=0.52×308.92×（0.0352-0.0252）×800/2
=6403 Pa
式中：R1、R2--------分別為葉輪的內(nèi)徑，氣液相界半徑的外徑
k------------系數(shù)，與光滑圓盤(pán)近似，k＝0.5
　　4.3螺旋密封和離心密封的組合密封總壓力差
　　組合密封壓力差ΔP為螺旋密封壓力差ΔP′和離心密封壓力差ΔP″之和即：ΔP＝ΔP′+ΔP″＝35800+6403＝42203Pa
　　由于軸承箱內(nèi)基本為常壓，箱內(nèi)壓力與軸承箱外大氣壓相近，因此組合密封總壓力差ΔP就是防止?jié)櫥屯獯拿芊鈮毫Γ久芊饨Y(jié)構(gòu)壓力為0.04MPa，*符合應(yīng)略高于機(jī)內(nèi)壓力的要求。
　　4.4材料選擇
　　由于軸承壓蓋不起承壓作用，可選A3鋼，而甩油副葉輪不但起甩油及阻油作用，而且也是軸承卡環(huán)，為防止多次拆卸造成損壞，可選用45鋼。
　　5應(yīng)用情況
　　經(jīng)過(guò)改造的油封，1998年4月，在酮苯車(chē)間泵305（型號(hào)為100Y－120×2）上進(jìn)行了試運(yùn)行，后又在泵430、泵351等機(jī)泵上進(jìn)行了安裝，經(jīng)過(guò)四年多的運(yùn)行，軸承箱壓蓋密封處無(wú)任何泄漏，*設(shè)計(jì)要求。在此之前，原密封結(jié)構(gòu)由于經(jīng)常發(fā)生泄漏，司泵崗位操作員的工作量很大，在每小時(shí)的巡檢中都要對(duì)機(jī)泵潤(rùn)滑油進(jìn)行補(bǔ)充，而且還發(fā)生過(guò)兩起因漏油造成的設(shè)備抱軸事故，造成生產(chǎn)的波動(dòng)，由于漏油的普遍性也使現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生一直難以解決，給設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理帶來(lái)了難度。改造后，在換油周期內(nèi)機(jī)泵的潤(rùn)滑油基本不需要大量補(bǔ)充，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)狀況明顯改觀，也為生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。
　　6　結(jié)論
　　將原軸承箱壓蓋處迷宮密封改為離心密封與螺旋密封的組合密封結(jié)構(gòu)，利用離心密封作為初步節(jié)流阻漏密封，利用螺旋密封作為二次密封，可以保證軸頭處無(wú)任何泄漏。這種改進(jìn)方法只需改造軸承鎖緊螺母和軸承箱壓蓋，對(duì)原結(jié)構(gòu)改動(dòng)很小，即能滿足密封要求，又能適應(yīng)原結(jié)構(gòu)可利用空間小的限制。該種密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝方便，消耗動(dòng)力小。從實(shí)際使用效果來(lái)看，*改善了原結(jié)構(gòu)造成的設(shè)備及周?chē)h(huán)境被油污染的局面，消除了生產(chǎn)隱患；減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)了文明生產(chǎn)。此外，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，將該結(jié)構(gòu)也成功地應(yīng)用于65Y、150Y型泵上，同樣取得了滿意的效果。因此，該結(jié)構(gòu)也可適用于有類(lèi)似問(wèn)題的其它機(jī)泵，有極大的推廣價(jià)值。
　　參考文獻(xiàn)：
　　1　顧永泉.流體密封.中國(guó)石化出版社，1990，NO.85－120
　　2 胡國(guó)楨.化工密封技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，1990，NO.464－483