唐小勇

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000）

填料密封是一種使用歷史長(zhǎng)遠(yuǎn)的密封，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、拆裝和維護(hù)方便的特點(diǎn)[1，2]，在多種行業(yè)的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械中使用。填料密封存在泄漏量隨運(yùn)行時(shí)間增加而增加，需人工定時(shí)調(diào)節(jié)壓緊填料，運(yùn)行工況下無(wú)法人工難題，限制了填料密封的使用行業(yè)與場(chǎng)合。近幾年，許多從事填料密封的研究工作者，在密封的機(jī)理以及結(jié)構(gòu)研究上做了大量的工作[3，4]，使得填料密封的結(jié)構(gòu)更為科學(xué)合理，諸如能適用于高壓、高速、高真空以及強(qiáng)腐蝕等苛刻工況要求[5-7]。為進(jìn)一步優(yōu)化填料密封的結(jié)構(gòu)，提升填料密封的適用性和使用范圍。針對(duì)現(xiàn)有填料密封的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)平衡填料密封結(jié)構(gòu)。

1 填料密封的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)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(nèi)部，通過(guò)擰緊壓蓋螺栓使壓蓋對(duì)填料軸向壓縮，填料相對(duì)均勻地填充在箱體與轉(zhuǎn)軸之間。由于填料為塑性材料，在軸向力的作用下，填料會(huì)在轉(zhuǎn)軸和箱體間徑向膨脹產(chǎn)生作用力，從而充滿箱體與轉(zhuǎn)軸間的空間，使得填料與轉(zhuǎn)軸緊密接觸，達(dá)到阻止介質(zhì)泄漏的目的[8，9]。但填料與轉(zhuǎn)軸的接觸狀態(tài)為非均勻接觸，接觸部分在填料與轉(zhuǎn)軸間呈現(xiàn)為“邊界潤(rùn)滑”狀態(tài)；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(guī)則的迷宮，起阻止液流泄漏的作用，此稱“迷宮效應(yīng)”[10]。填料密封工作時(shí)，填料與軸、填料箱間直接接觸，在往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生摩擦磨損，其中填料和桿件這對(duì)摩擦副是影響填料密封可靠性、耐久性和穩(wěn)定性的主要因素[11]。一方面，填料的磨損會(huì)增加填料與軸/閥桿之間的環(huán)形間隙進(jìn)而引起介質(zhì)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(guān)系到設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的可操作性及能耗問(wèn)題[12]。由于轉(zhuǎn)軸的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，填料與轉(zhuǎn)軸間的摩擦磨損導(dǎo)致間隙增大，因此，需要定期調(diào)節(jié)和壓緊填料使填料與轉(zhuǎn)軸的間隙處在合理范圍內(nèi)。

考慮到安全因素，設(shè)備運(yùn)行時(shí)不能進(jìn)行填料的壓緊調(diào)節(jié)工作，填料的壓緊和更換工作需在設(shè)備停機(jī)時(shí)才可進(jìn)行[10]。為使每次填料壓緊后能保持更長(zhǎng)時(shí)間的密封效果，通常會(huì)施加一個(gè)較大的力，使得軟填料的松緊程度大于設(shè)計(jì)的最適宜值，即表現(xiàn)為階梯式調(diào)節(jié)。階梯式的調(diào)節(jié)方式是影響填料密封廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要弊端。在前期，填料被壓得過(guò)于緊密，填料與轉(zhuǎn)軸之間接觸面積增加，導(dǎo)致填料與轉(zhuǎn)軸磨損嚴(yán)重，增大摩擦功耗；隨著使用時(shí)間的增加填料逐漸磨損，填料與轉(zhuǎn)軸間的接觸面積逐漸減少，密封效果下降泄漏量也會(huì)逐漸增加。傳統(tǒng)填料密封這種只能階梯式調(diào)節(jié)的方式嚴(yán)重限制了密封的受用場(chǎng)合。

2 新型自動(dòng)調(diào)節(jié)填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

針對(duì)上述缺陷，文中對(duì)現(xiàn)有填料密封進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)調(diào)節(jié)填料密封。顛覆了傳統(tǒng)意義上的填料壓緊和調(diào)節(jié)方式，可以根據(jù)被密封介質(zhì)壓力自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)填料壓緊力。既不需要停車停產(chǎn)和人工調(diào)節(jié)，還能使填料壓緊力時(shí)刻保持在最佳密封區(qū)間，減少功耗和磨損、降低泄漏量、延長(zhǎng)使用壽命。

自動(dòng)調(diào)節(jié)填料密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)調(diào)節(jié)填料密封結(jié)構(gòu)示意圖

新型填料密封相較于傳統(tǒng)密封多了結(jié)構(gòu)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(guān)鍵所在。氣囊的放置在壓蓋和頂蓋之間，通過(guò)氣囊的膨脹和縮小調(diào)節(jié)壓蓋對(duì)填料的壓緊力。氣囊膨脹時(shí)，氣囊擠壓壓蓋壓緊填料，使得填料更緊實(shí)與轉(zhuǎn)軸接觸緊密減少泄漏；氣囊縮小時(shí)，氣囊對(duì)壓蓋的作用力減少，填料在自身的彈性力作用下會(huì)變得蓬松，減少與轉(zhuǎn)軸的摩擦磨損。

新型自動(dòng)平衡填料密封結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)大體相同、工作原理相似，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同。新型填料密封的壓蓋壓緊力是通過(guò)氣囊內(nèi)部的壓力膨脹產(chǎn)生，且氣囊的內(nèi)部壓力與介質(zhì)側(cè)的壓力相同，但填料的壓緊力需要數(shù)倍的介質(zhì)壓力，所以需要壓蓋氣囊側(cè)截面積要數(shù)倍于填料側(cè)的截面積，因此新型填料密封壓蓋的實(shí)際結(jié)構(gòu)需根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)填料密封壓蓋的壓緊比壓需要達(dá)到介質(zhì)壓力的3～7倍[13]，是因?yàn)閴荷w的調(diào)節(jié)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(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)壓蓋的壓力，可選取略小于傳統(tǒng)填料密封的比壓，因此，壓蓋的比壓可選取為介質(zhì)壓力的2～4倍。在壓蓋的設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮密封的實(shí)際工況，將壓蓋氣囊側(cè)端面面積設(shè)計(jì)成填料側(cè)端面面積的2～4倍，就可實(shí)現(xiàn)壓蓋的壓緊比壓為2～4倍的目標(biāo)。

氣囊內(nèi)部通過(guò)氣嘴與被密封腔內(nèi)部相連通，可使氣囊內(nèi)部壓力與被密封腔內(nèi)部壓力相同，并且可以隨著被密封介質(zhì)的壓力變化而變化，氣囊隨著壓力的變化呈現(xiàn)膨脹或收縮轉(zhuǎn)換成作用力作用在壓蓋上，從而連續(xù)調(diào)節(jié)填料的壓緊力，實(shí)現(xiàn)填料密封的自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)功能，使填料壓緊力總是處于合理區(qū)間。避免了傳統(tǒng)填料密封無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓緊力而出現(xiàn)的種種缺陷，有效地解決了填料壓緊需人工階梯式調(diào)節(jié)和運(yùn)行工況中無(wú)法調(diào)節(jié)壓緊力的難題。因而使用新型填料密封可以節(jié)約能耗延長(zhǎng)使用壽命，降低人工工作強(qiáng)度，即降低填料與轉(zhuǎn)軸的摩擦磨損，杜絕出現(xiàn)泄漏量隨運(yùn)行時(shí)間增加的問(wèn)題。

若在一些特殊要求場(chǎng)合，氣囊氣嘴可與人工控制的氣路相通，通過(guò)人工控制氣壓調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部壓力，這連接方式可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)壓蓋達(dá)到任意需求的壓緊比，能夠?qū)崿F(xiàn)人工遠(yuǎn)方特殊工況要求調(diào)節(jié)，做到自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，極大地提高了填料密封的適用性和可操作性，進(jìn)一步拓展了填料密封的適用范圍。

理論上所有使用傳統(tǒng)填料密封的場(chǎng)合都可以使用新型自動(dòng)調(diào)節(jié)填料密封，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(huán)境。此外，諸如高壓、高速、高真空以及強(qiáng)腐蝕等苛刻工況要求場(chǎng)合也可以使用新型自動(dòng)平衡填料密封，由于新型填料密封具備自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，能做到自動(dòng)調(diào)節(jié)壓緊比壓，保障密封效果良好的前提下，可以很好地適應(yīng)介質(zhì)壓力的變化。

3 自動(dòng)平衡調(diào)料密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

某電廠貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的主軸密封采用傳統(tǒng)的填料密封結(jié)構(gòu)，由于管型座附近空間狹窄，水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)軸直徑較大導(dǎo)致主軸密封尺寸較大。每次檢修或者更換盤根后需要調(diào)整壓蓋壓緊力，由于空間狹窄，力矩扳手不易于使用，實(shí)際中大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工擰緊螺栓壓緊，通常無(wú)法及時(shí)確定填料壓緊程度是否符合要求，需要開機(jī)啟動(dòng)后運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，通過(guò)密封的溫度監(jiān)控系統(tǒng)觀察密封溫度是否超標(biāo)，如果溫度超標(biāo)，需要再次停機(jī)才能調(diào)整填料和調(diào)節(jié)壓緊力，加之空間狹窄吊裝不方便非常不便于安裝，一次調(diào)整將花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。將該新型自動(dòng)填料密封應(yīng)用到貫流式水輪發(fā)電機(jī)組后，很好地解決了因填料密封需要頻繁停機(jī)調(diào)整填料和壓緊力的問(wèn)題，還能根據(jù)水頭的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)填料的壓緊力，減少泄漏量，降低功耗增加發(fā)電量，延長(zhǎng)填料使用壽命，節(jié)約使用成本。

此次設(shè)計(jì)的新型填料密封，成功地解決了電廠貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的泄漏量大、吊裝調(diào)整困難及檢修費(fèi)用高等問(wèn)題，對(duì)于提高電廠發(fā)電質(zhì)量起到了保障作用。另外，該新型自動(dòng)調(diào)節(jié)填料設(shè)計(jì)已取得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)（專利號(hào)：ZL202021883712.X）。