离心泵动力密封改造方案

1.概述

北京某项目有4台用于输送含硼酸钙、碳酸钙等颗粒液体的离心泵，运行一段时间后发生泄漏，经检查发现密封严重磨损。

为了解决密封磨损问题，并考虑到此环境无法采用外接水源的实际情况，决定对泵进行动力密封改造（泵参数；Q=16m³/h，H=15m，p=1.25，入口表压0.04MPa。

2.结构和原理

动力密封装置通常由泵叶轮后盖板外侧的背叶片、副叶轮、阻旋片和停车密封等组成，如图3-46所示。

背叶片和叶轮后盖板实际上组成了一个半开式离心叶轮。该叶轮旋转过程中产生的扬程，能够降低流程介质向轴封处的泄漏，起封堵输送介质的逆压作用，通常称此扬程为密封压头或密封能力。

副叶轮是一个半开式离心叶轮，它旋转时所产生的扬程也起封堵输送介质的逆压作用。当背叶片与副叶轮产生的密封压头之和等于或稍大于叶轮出口压头时，便可封堵输送介质的泄漏。

图3-46 动力密封示意

1—叶轮 2—背叶片 3—阻旋片 4—副叶轮

阻旋片的作用是阻止液体旋转，提高封堵压力。当无阻旋片时，副叶轮背侧的液体大约以叶轮角速度的二分之一旋转，液体压力呈抛物线规律分布，因而副叶轮背侧轮毂区的压力小于副叶轮外径处的压力。

当有阻旋片时，则可阻止液体旋转，使副叶轮背侧轮毂区的压力接近副叶轮外径处的压力，从而提高副叶轮的封堵能力。试验结果表明，有阻旋片时可使封堵能力提高15%以上。背叶片和副叶轮只在泵运行时起密封作用。为防止泵停车后输送介质或冷却液泄漏，应配置停车密封，使之在泵转速降低或停车时，停车密封能及时投入工作，阻止泄漏；而运行时，停车密封又能及时解脱开，以免密封面磨损和耗能。

3.改造方案

为了尽可能使用原有零件，不改变泵的外形尺寸，仅对叶轮和泵盖进行了改动，增加了副叶轮和封板。泵体和轴承支架以及其他零件均未变动。原泵结构见图3-47。

图3-47 原泵结构

改造后的结构如图3-48所示。将原泵盖分成两个零件，即设有阻旋片的内泵盖1和起定位作用的外泵盖4。在内泵盖和外泵盖组成的空腔内安放副叶轮3，副叶轮靠轴肩定位，同叶轮配合处设有密封圈，防止泄漏，并同叶轮共键转动。内泵盖和外泵盖之间设有1mm厚的聚四氟乙烯密封垫片2，轴承架保持原样，通过内止口与外泵盖止口定位。利用加长的双头螺柱，将外泵盖、垫片、内泵盖连接起来，组成一体，利用双头螺柱，安装在泵体上。

考虑到叶轮带有0.14MPa的入口压力，同时为了尽可能的不增加转子系统零件的重量，保持泵运行的稳定性，减小机组振动，泵停车密封采用封板式结构。

封板式停车密封适用于入口带压工况，由盖封板5、压环6、动环7组成。

封板由韧性及自润滑性能良好的材料制造，用压环安装在外泵盖的定位止口中。

停机时由入口压力或入口阀关闭后，出口管路中的滞留液柱压力（高于大气压力），使封板外侧同动环端面紧密贴合，确保液体无泄漏。泵正常工作时，密封腔内压力同外界大气压力基本相同，封板和动环端面间隙趋近于零，避免相互摩擦。

同离心式停车密封相比，封板式停车密封具有结构简单、转动件重量轻的优点，标准回转体的动环，无需进行平衡检测，因此制造工艺性好；不使用离心外摆零件，所以附加的振动和噪声都大为减少。

图3-48 改造后结构

1—内泵盖 2—密封垫片 3—副叶轮 4—外泵盖 5—盖封板 6—压环 7—动环

主要零件设计如下；

1）副叶轮设计。原泵叶轮采用平衡孔结构，根据图样尺寸计算如下；

叶轮后盖板端面密封环的平均直径d_m=63.02mm、密封环间隙为b_m=0.2mm，平衡孔直径d_b=7mm、数量5个。

密封环过流面积F_m=πd_mb_m=39.57mm²

平衡孔过流面积F_b=5πd_b²/4=192.3mm²

根据上述计算，叶轮平衡孔的过流面积是叶轮后侧密封环间隙过流面积的4.85倍。

根据公式(www.xing528.com)

式中，h_m、h_b是密封环处和平衡孔处的阻力损失；ξ_m、ξ_b是密封环处和平衡孔处的阻力系数，根据文献的推荐，分别取4.3和2；q为密封环泄漏量。根据公式（3-4）、（3-5），流阻比值

据此可知，密封环的节流能力远大于平衡孔的流阻损失，即泵扬程对叶轮平衡室压力产生的影响较小。保守考虑；①不计算叶轮后盖板圆盘的作用，对介质产生的逆压影响；②以泵的扬程替代叶轮扬程计算，则平衡室内最大压力为

式中，p₀是入口压力，p₀=0.4kg/cm²=4×10⁴Pa；H_p是叶轮扬程，等于泵扬程15m；ρ=1250kg/m³。

H_b/（h_m+h_b）=（ξ_b/F_b²）/（ξ_m/F_m²+ξ_b/F_b²）=（2/192.3²）/（4.3/39.57²+2/192.3²）=0.0196，将数字代入公式3-6，得H_max=3.5m

以H_max作为副叶轮封堵压力进行设计。

根据文献并结合被改造泵原有各零件的实际情况，下列参数确定为；R_b=30mm，h₂=5mm，b₂=0.5mm。

根据b₂=0.5mm，确定K=0.80

根据公式（3-7）即求出R₂

考虑到工况条件变动，实际设计时R₂取51mm。根据R₂和文献推荐，其他参数定为；R₁=48mm，h₁=7.5mm，b₁=0.5mm，R₃=53.5mm。

2）封板的设计。PTFE（聚四氟乙烯）具有良好的弹性和韧性，自润滑性良好，并且耐腐蚀，是制造封板材料的最佳选择。

对于图3-49所示结构，根据弹性理论，圆环受均布载荷作用时，最大应力发生在内周界，内周界应力将远大于外周界，故只计算内周界应力，并以此作为判据。

图3-49 封板结构

根据副叶轮的进口尺寸R_h，确定密封腔体尺寸R=22.5mm。

根据泵轴外径φ25mm，确定动环外径尺寸r=17.5mm。

PTFE的力学性能指标；[σ]=8MPa、E=1.14GPa、µ=0.43。

根据相关公式，计算应力和挠度，合理确定封板厚度h。

封板在满足弹性应力条件的同时，具有一定的弹性挠度也是必需的，以0.15mm作为弹性挠度，确定板厚h。

A_r、A₁、C₁是与（R/r）、µ值有关的修正系数。

根据R/r=1.28、μ=0.41可以确定；A_r=0.1895，A₁=0.0569，C₁=0.0118。

由公式（3-8）计算的h=0.69mm。

由公式（3-9）计算的h=0.40mm。

由公式（3-10）计算的h=1.96mm，取定h=2mm，作为设计厚度。

4.运行情况

离心泵轴封经过改造后，泵正常运行时无任何泄漏，大大延长了泵的连续运行时间，达到了改造目的，用户满意。泵停机时，封板处有轻微泄漏，是封板较薄，发生变形所致。

离心泵采用动力密封改造后，设备连续运行时间大大延长，基本上满足了项目试验要求，同时为今后开发新泵采用动力密封积累了经验。