半潛船艉軸密封裝置設計與應用

邱曉峰，李 磊，郭 飛，王錦偉，李方海，陳 程

(武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢 430084)

0 引言

唇形密封是艉軸密封裝置[1]應用最廣泛和技術最成熟的型式，影響唇形密封圈壽命的關鍵是密封圈的相對壓力(即兩側的壓力差)[2]。半潛船的吃水是經常變化的，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船舶，常規的艉軸密封裝置將會失效[3]。

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

1 某半潛船主推進系統參數

某半潛船主推進系統參數如下：

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

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

2 艉軸密封設計

常規的艉軸密封結構見圖1。

圖1 常規艉軸密封結構示意圖

艉軸密封1#和2#圈防海水進入，3#圈防止艉管內潤滑油流出，4#和5#圈防止潤滑油流入到艙室內。其中1#圈和2#圈之間加入潤滑脂。

當外界吃水不深、海水壓力變化不大的情況下該密封結構完全可以滿足使用要求。但是，當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的艉軸密封裝置。

2.1 平衡型空氣密封系統

2.1.1 設計特點和組成

所謂平衡型空氣密封系統[4]，就是在靠近海水側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整各密封圈兩側的壓力，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”，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，即海水側；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，即機艙側。

2.1.2 密封壓力差設計

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

(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 潤滑系統設計

2.2.1 腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑系統

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

腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑系統原理見圖3。腔室Ⅲ和Ⅳ潤滑系統包括潤滑油箱組件(約180 L)、潤滑油泵組P1、流量計Q3和Q5,以及相關的閥件等。通過調節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]，在兩側潤滑油壓差作用下不與密封襯套接觸，不發生磨損。當圖2的泄漏收集箱出現大量潤滑油，且圖3潤滑油箱液位快速下降時，說明2#圈損壞，此時關閉V35閥，3#圈代替2#圈投入工作。

另外，潤滑回路中還設置濾器堵塞、油溫高、液位高或低等監測報警功能。

2.2.2 腔室Ⅴ的潤滑系統

相比常規的前密封，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潤滑系統和腔室Ⅲ、Ⅳ的潤滑系統原理基本類似，主要的差異是基于腔室V的壓力要求而導致的壓力油箱(約40 L)的布置高度。

2.2.3 腔室Ⅵ的潤滑系統

腔室Ⅵ潤滑系統和常規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 空氣控制系統設計

空氣控制系統是平衡型空氣密封系統的核心部件，是維持各腔室壓力的關鍵系統。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整和過濾，才能應用到艉軸密封裝置中。

在該空氣控制系統中，由于腔室Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的壓力均需要隨著吃水狀態變化而發生變化，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船舶的吃水狀態進行自動調整?？諝饪刂葡到y原理見圖4。圖中，船舶上的壓縮空氣經過濾器F1除塵過濾、過濾器F3除濕過濾、調壓閥R1的減壓，再經過流量控制閥FC1進行流量調節，最后輸送至各輸出口。

圖3 腔室Ⅲ和Ⅳ的潤滑系統原理圖

圖4 空氣控制系統原理圖

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 結語

該艉軸密封裝置采用自感應船舶吃水深度的空氣控制系統，合理控制了各道密封圈的相對壓力。這種設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。采用上述原理設計的帶平衡型空氣密封功能的艉軸密封裝置應用到某50 000 t半潛船主推進系統，至今已穩定工作10 a，未出現密封損壞和泄漏等故障。該艉軸密封裝置的設計對于吃水較深的海工裝備推進系統艉軸密封具有借鑒意義。