【摘要】阐述了传统离心泵填料密封的机理及其结构上存在的不足, 提出了一种新型的反向加力填料密封结构, 通过对其微元体上填料 的受力分析及运算, 得出了新型填料密封的密封性能优于传统填料密封的密封性能的结论。
【关键词】离心泵;填料密封;结构力学分析;改进
1 前 言
填料密封是用填料填塞泄漏通道阻止泄漏的一种密封形式。其特点是结构简单、装拆维修方便、成本低廉而广泛应用于离心泵上。在离合泵上的填料密封既是动密封, 又是静密封, 所用填料为油浸石棉盘根软填料。其不足之处在于密封性能较差,对轴或轴套磨损大, 损失功耗大以及使用寿命短等。近几年, 许多从事填料密封的研究工作者, 在密封的机理以及结构研究上做了大量的工作, 使得填料密封的结构更为科学合理, 本文介绍的结构是在现有的基础上进行的改进。
2 传统填料密封结构及其缺陷
2.1密封结构与工作原理
在传统填料密封中, 内部流体可能通过下列途径泄漏 :
①流体穿过填料本身的缝隙而出现渗漏;
②流体通过填料与转轴之间的缝隙而泄漏;
③流体通过填料与箱壁之间的缝隙而泄漏。填料置于填料箱中, 通过压盖将填料压紧在轴上, 填料依靠压盖轴向压紧, 产生径向变形, 填满间隙。填料在变形时, 依靠径向变形产生的径向力紧贴转轴与填料箱内壁表面, 实现密封。
这就是说, 在填料密封可能出现的三个泄漏途径中, 填料本身的缝隙泄漏可以通过压实软填料的方法来消除; 箱壁内表面与填料之间的泄漏，因为无相对运 动且填料被压实而与填料箱内壁表面紧密贴合, 达到了止漏目的 ; 只有填料与转轴之间, 因有相对运动, 并存在微小间隙, 所以常造成泄漏。
2.2 填料径向压力的分布
填料径向压力分布如图 1 所示, 由图可看出填料径向压力的分布趋势。该径向压力是由拧紧压盖螺栓时引起填料变形而产生的, 其由外端向内端递减, 且由急剧递减到趋 向平缓。介质压力分布见图1, 其介质压力由内端逐渐 向外端递减。当外端的介质压力为零时, 则密封状态最佳 (泄漏量为零 ) ; 而当外端的介质压力大于零时, 则泄漏量随着介质压力的增大而增大。由上述分析可知: 填料的径向压力的分布与介质的压力分布恰恰相反, 内端介质压力最大, 此处所需 的密封力要大, 但填料 的径向压(紧) 力却恰好为最小, 这就暴露出传统填料密封的缺陷。
从图 1 可 以看出: 介质压力曲线和填料压力曲线有一个交点 A , 在正常情况下, 交点 A 的位置是相对稳定的; 但实际上, 图中两曲线的交点 A 是可变的, 若介质的压力增大时, 介质压力曲线将平行向右 (外侧 ) 移动 , 移动的结果可能造成轴封泄漏 ;为杜绝泄漏就要加大填料的径向压力, 这样就使得填料压力曲线发生位移, 通常是向左侧移动, 移动的结果将使得 A 点右侧的 区域增大, 造成在此区域的填料压紧力过大, 从而造成轴或轴套磨损严重。
2.3 传统填料密封的不足
( l ) 预 紧力恒定。预紧力恒定, 即密封力恒定,而被密封介质的压力是波动变化的, 这就可能出现密封填料过度密封或密封不足。
( 2 ) 轴或轴套磨损严重。密封力不足时 , 采取的方法往往是加大预紧力, 这样使预紧力过大, 造成密封填料与轴接触面之间的摩擦力加大 , 并导致填料对轴或轴套磨损严重 , 功率损失增大, 泵的机械效率降低 。
( 3 ) 检修周期短。由于填料对轴或轴套磨损严重, 为使泵正常运转, 停机更换填料 的次数就增多,这样运行成本就提高了。
3 填料密封的结构改造
3.1 密封结构
在分析了传统填料密封结构、工作原理及其缺陷后, 要想改善和提高填料密封的密封效果, 在填料密封结构设计时要考虑解决的问题是 :
( l ) 尽量使径向压紧力均匀且与泄漏压力规律一致, 使轴套承压面受压均匀, 从而使轴套磨损小而且均匀。
( 2 ) 使填料密封结构中的填料具有补偿能力、足够的润滑性和弹性。
( 3 ) 密封的填料沿轴向抱紧力应均匀分布。鉴于以上分析, 新型的填料密封结构应该是一种能够自动根据被密封介质压力的变化而变化密封力的填料密封结构。
改造后的填料密封结构见图2 , 主要由轴封箱、轴封腔套、填料、压盖、轴封腔套螺栓 以及弹簧等组成。
3.2 分析
当密封工作时, 首先通过轴封腔套螺栓给填料一个预紧力, 此力是通过轴封腔套反向施加在填料上的, 填料 因变形而产生径向力, 由于 整个填料块在受力过程中是双向受力 , 两侧所受的力是相等的, 所以应该以填料中线为基准, 左右两侧分别进行受力分析, 受力如图3 , 现对左侧进行分析, 其受力分析和计算解析过程如下:
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这里把密封腔内介质压力 (Pi)看作是定值, 则软填料的柔软系数 ( K ) , 摩擦系数 (μ) , 填料环 外径( R ), 填料环内径 ( r ) , 填料环长度 ( L ) , 都是已知,故可以作出填料密封轴向压紧力的图形, 见图4。
由图 4 可见, 填料因变形而产生的径向力正好从密封腔的内端向外端逐渐递减, 此时, 实际上填料对轴表面产生的径向压力在轴向刚好同介质压力分布趋势一致, 这就从本质上实现了加大密封力的要求。由于在轴封腔套的连接螺栓上加了弹簧, 可以实现填料对轴的密封力可随密封介质压力的变化而变化, 保持了填料的弹性, 从而使填料具有良好的密封性能和长的使用寿命。
另外 , 轴封箱与轴封腔套底端端面之间有一伸缩间隙 , 此伸缩间隙除了满足填料的伸缩外, 还具有迷宫的效应和起到均匀分布介质压力的作用。轴封腔套底端内孔设计有螺旋槽, 与轴的外表面之间构成螺旋槽密封。
4 结 论
针对传统填料密封的结构特点与密封原理, 分析了对密封填料加载所引起的密封填料受力的不合理性; 从力学的角度出发, 对传统填料密封的结构进行了改造, 提出了反向加力 的新型 填料密封的结构, 在结构和性能上克服了传统填料密封的不足,使得填料密封的原理与结构更为合理, 其密封性能和使用寿命得到提高,有一定的参考价值。
参考文献
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2 刘兴旺等. 自动补偿径向压紧软填料密封结构设计. 石油化工设备 , 2003
3 张元华. 离心泵新型填料密封
4 刘令勋, 刘英贵. 动态密封设计技术. 中国标准出版社 , 1993
5 徐饭 编著. 密封. 冶金工业出版社. 2002
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