半潛船艉軸密封裝置設(shè)計與應(yīng)用

邱曉峰，李 磊，郭 飛，王錦偉，李方海，陳 程

(武漢船用機械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084)

0 引言

唇形密封是艉軸密封裝置[1]應(yīng)用最廣泛和技術(shù)最成熟的型式，影響唇形密封圈壽命的關(guān)鍵是密封圈的相對壓力(即兩側(cè)的壓力差)[2]。半潛船的吃水是經(jīng)常變化的，通常輕載吃水與半潛吃水相差約20 m。不同吃水工況下外界海水壓力對艉軸密封的影響要大大超出常規(guī)船舶，常規(guī)的艉軸密封裝置將會失效[3]。

艉軸密封是船舶推進系統(tǒng)中最薄弱的裝置，密封的安全性、可靠性對于整個推進系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到關(guān)鍵作用。本文根據(jù)半潛船艉軸密封裝置的工作特點，結(jié)合某50 000 t半潛船主推進系統(tǒng)實際應(yīng)用案例，對艉軸密封裝置平衡型空氣密封系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空氣控制系統(tǒng)進行分析，可為半潛船艉軸密封設(shè)計、選型和應(yīng)用提供參考。

1 某半潛船主推進系統(tǒng)參數(shù)

某半潛船主推進系統(tǒng)參數(shù)如下：

全長216 m，型寬43 m，型深13.35 m，設(shè)計吃水10 m，貨物甲板潛深13 m，下潛吃水26.35 m，設(shè)計航速13.5 kn，主機功率9 660 kW，螺旋槳直徑5.9 m。

該半潛船設(shè)計吃水與下潛吃水相差16.35 m，主推進系統(tǒng)艉軸密封裝置在這2種工況下承受壓力相差較大。

2 艉軸密封設(shè)計

常規(guī)的艉軸密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 常規(guī)艉軸密封結(jié)構(gòu)示意圖

艉軸密封1#和2#圈防海水進入，3#圈防止艉管內(nèi)潤滑油流出，4#和5#圈防止?jié)櫥土魅氲脚撌覂?nèi)。其中1#圈和2#圈之間加入潤滑脂。

當(dāng)外界吃水不深、海水壓力變化不大的情況下該密封結(jié)構(gòu)完全可以滿足使用要求。但是，當(dāng)外界壓力增大很多時，海水作用在1#唇形密封圈上的壓力增大，唇形密封腔會緊緊貼合在旋轉(zhuǎn)襯套上，加劇了唇口的磨損，降低了密封圈的壽命。

因此，為了減小不同吃水工況下外界海水壓力對艉軸密封的影響，必須采用帶平衡型空氣密封系統(tǒng)的艉軸密封裝置。

2.1 平衡型空氣密封系統(tǒng)

2.1.1 設(shè)計特點和組成

所謂平衡型空氣密封系統(tǒng)[4]，就是在靠近海水側(cè)的密封腔室中加入壓縮空氣，一方面很好地感知船舶吃水帶來的壓力變化，另一方面能合理地調(diào)整各密封圈兩側(cè)的壓力，使每道密封圈的壓力差比較小，從而提高密封圈的壽命。

平衡型空氣密封系統(tǒng)采用壓縮空氣的好處是通過在唇型密封圈之間提供可控的“緩沖區(qū)”，將艉管中的潤滑油與海水完全分離；空氣沒有污染，能很方便地控制壓力以減小唇形密封圈兩側(cè)的壓力差。

半潛船的艉軸密封裝置分為后密封和前密封。從船艉向船艏依次將每個唇形密封圈進行編號：1#～6#。這樣6道密封圈就形成了7個腔室。各腔室說明如下：腔室Ⅰ為1#圈外側(cè)，即海水側(cè)；腔室Ⅱ為1#和2#圈之間形成的空間，壓縮空氣腔室；腔室Ⅲ為2#和3#圈之間形成的空間；腔室Ⅳ為3#和4#圈之間形成的空間，即軸承潤滑油腔；腔室Ⅴ為4#和5#圈之間形成的空間；腔室Ⅵ為5#和6#圈之間形成的空間；腔室Ⅶ為6#圈外側(cè)，即機艙側(cè)。

2.1.2 密封壓力差設(shè)計

平衡型密封系統(tǒng)另一個設(shè)計要點就是要從海水側(cè)到機艙側(cè)逐漸降低各腔室的壓力，以維持機艙側(cè)密封圈的低壓力差。

(1)1#圈直接承受海水的壓力，因此需要在腔室Ⅱ中通入壓縮空氣來平衡外界海水的壓力PSW。

腔室Ⅱ的壓力PⅡ=PSW+1#圈彈簧預(yù)緊壓力。壓縮空氣通過頂起1#圈排入海水中，所以腔室Ⅱ的氣壓能感知外界海水的壓力大小，也保證1#圈兩側(cè)的壓差最小，密封圈和軸套的磨損非常小，大大提高了該密封圈的壽命；同時，壓縮空氣的壓力一直高于外界海水的壓力，理論上海水無法滲透過1#圈。即便有少量的海水滲透過1#圈，可以用一排污管通過壓縮空氣將腔室Ⅱ中泄漏的海水或污油排入到泄漏收集箱中。壓縮空氣腔室與排污原理見圖2。

(2)為了防止壓縮空氣進入潤滑油腔，所以腔室Ⅲ的壓力PⅢ>PⅡ。同時為了保證2#圈兩側(cè)的壓差不要過高，一般PⅢ=PⅡ+(0.03～0.05)。

圖2 壓縮空氣腔室與排污原理圖

(3)從腔室Ⅳ開始，各腔室的壓力要逐漸降低。

腔室Ⅳ的壓力PⅣ=PⅢ-0.015。

(4)腔室Ⅴ的壓力PⅤ=PⅣ-0.18。PⅤ壓力取決于船舶吃水，當(dāng)船舶吃水低于13.5 m時，取值0.035 MPa。

(5)腔室Ⅵ的壓力PⅥ=(0.01～0.02) MPa。

2.2 潤滑系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑系統(tǒng)

根據(jù)上述平衡型空氣系統(tǒng)的原理，腔室Ⅲ和Ⅳ的壓力設(shè)計最為關(guān)鍵。為了保證腔室Ⅲ和Ⅳ的壓力符合平衡型空氣系統(tǒng)的要求，要聯(lián)合壓縮空氣的壓力和重力油箱(潤滑油箱)的高度來設(shè)置腔室Ⅲ和Ⅳ的壓力。

腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑系統(tǒng)原理見圖3。腔室Ⅲ和Ⅳ潤滑系統(tǒng)包括潤滑油箱組件(約180 L)、潤滑油泵組P1、流量計Q3和Q5,以及相關(guān)的閥件等。通過調(diào)節(jié)V32閥，使Q3流量約為(120±50) L/h，使得腔室Ⅲ的壓力大于腔室Ⅱ和Ⅳ的壓力。潤滑油箱上通一路壓縮空氣，該空氣管路將潤滑油箱與后密封的空氣腔室相連，空氣壓力隨著吃水深度變化而變化，即當(dāng)船舶尾部吃水增加時，空氣腔室中的空氣壓力也隨之增大；反之亦然。

3#圈作為2#圈的備用圈[5]，在兩側(cè)潤滑油壓差作用下不與密封襯套接觸，不發(fā)生磨損。當(dāng)圖2的泄漏收集箱出現(xiàn)大量潤滑油，且圖3潤滑油箱液位快速下降時，說明2#圈損壞，此時關(guān)閉V35閥，3#圈代替2#圈投入工作。

另外，潤滑回路中還設(shè)置濾器堵塞、油溫高、液位高或低等監(jiān)測報警功能。

2.2.2 腔室Ⅴ的潤滑系統(tǒng)

相比常規(guī)的前密封，用于半潛船的艉軸密封多了腔室V，主要目的是要將潤滑油的壓力逐步降低，避免前密封的密封圈承壓過大。

腔室V潤滑系統(tǒng)和腔室Ⅲ、Ⅳ的潤滑系統(tǒng)原理基本類似，主要的差異是基于腔室V的壓力要求而導(dǎo)致的壓力油箱(約40 L)的布置高度。

2.2.3 腔室Ⅵ的潤滑系統(tǒng)

腔室Ⅵ潤滑系統(tǒng)和常規(guī)艉軸密封裝置的前密封潤滑一樣，艉管前密封潤滑油箱高度略高于前密封位置，保證前密封充分潤滑。

2.3 空氣控制系統(tǒng)設(shè)計

空氣控制系統(tǒng)是平衡型空氣密封系統(tǒng)的核心部件，是維持各腔室壓力的關(guān)鍵系統(tǒng)。船上壓縮空氣壓力一般為0.4～0.7 MPa，這就需要通過一系列的壓力調(diào)整和過濾，才能應(yīng)用到艉軸密封裝置中。

在該空氣控制系統(tǒng)中，由于腔室Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的壓力均需要隨著吃水狀態(tài)變化而發(fā)生變化，故進入到艉管潤滑油箱和壓力油箱的壓縮空氣也需要根據(jù)船舶的吃水狀態(tài)進行自動調(diào)整?？諝饪刂葡到y(tǒng)原理見圖4。圖中，船舶上的壓縮空氣經(jīng)過濾器F1除塵過濾、過濾器F3除濕過濾、調(diào)壓閥R1的減壓，再經(jīng)過流量控制閥FC1進行流量調(diào)節(jié)，最后輸送至各輸出口。

圖3 腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑系統(tǒng)原理圖

圖4 空氣控制系統(tǒng)原理圖

輸出口OUT1的壓縮空氣進入艉軸密封的腔室Ⅱ；輸出口OUT2的壓縮空氣被減壓閥AR1減壓，輸出到腔室Ⅴ的壓力油箱；輸出口OUT5壓縮空氣被減壓閥AR3減壓，輸出到腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑油箱。這樣就保證了進入艉管潤滑油箱和壓力油箱的空氣壓力和進入腔室Ⅱ氣壓的差值保持基本恒定。

3 結(jié)語

該艉軸密封裝置采用自感應(yīng)船舶吃水深度的空氣控制系統(tǒng)，合理控制了各道密封圈的相對壓力。這種設(shè)計方法不僅能保證艉軸密封裝置的可靠性，而且能保證艉軸密封裝置的壽命。采用上述原理設(shè)計的帶平衡型空氣密封功能的艉軸密封裝置應(yīng)用到某50 000 t半潛船主推進系統(tǒng)，至今已穩(wěn)定工作10 a，未出現(xiàn)密封損壞和泄漏等故障。該艉軸密封裝置的設(shè)計對于吃水較深的海工裝備推進系統(tǒng)艉軸密封具有借鑒意義。