半潜船艉轴密封装置设计与应用

邱晓峰，李 磊，郭 飞，王锦伟，李方海，陈 程

(武汉船用机械有限责任公司，湖北 武汉 430084)

0 引言

唇形密封是艉轴密封装置[1]应用最广泛和技术最成熟的型式，影响唇形密封圈寿命的关键是密封圈的相对压力(即两侧的压力差)[2]。半潜船的吃水是经常变化的，通常轻载吃水与半潜吃水相差约20 m。不同吃水工况下外界海水压力对艉轴密封的影响要大大超出常规船舶，常规的艉轴密封装置将会失效[3]。

艉轴密封是船舶推进系统中最薄弱的装置，密封的安全性、可靠性对于整个推进系统的稳定运行起到关键作用。本文根据半潜船艉轴密封装置的工作特点，结合某50 000 t半潜船主推进系统实际应用案例，对艉轴密封装置平衡型空气密封系统、润滑系统、空气控制系统进行分析，可为半潜船艉轴密封设计、选型和应用提供参考。

1 某半潜船主推进系统参数

某半潜船主推进系统参数如下：

全长216 m，型宽43 m，型深13.35 m，设计吃水10 m，货物甲板潜深13 m，下潜吃水26.35 m，设计航速13.5 kn，主机功率9 660 kW，螺旋桨直径5.9 m。

该半潜船设计吃水与下潜吃水相差16.35 m，主推进系统艉轴密封装置在这2种工况下承受压力相差较大。

2 艉轴密封设计

常规的艉轴密封结构见图1。

图1 常规艉轴密封结构示意图

艉轴密封1#和2#圈防海水进入，3#圈防止艉管内润滑油流出，4#和5#圈防止润滑油流入到舱室内。其中1#圈和2#圈之间加入润滑脂。

当外界吃水不深、海水压力变化不大的情况下该密封结构完全可以满足使用要求。但是，当外界压力增大很多时，海水作用在1#唇形密封圈上的压力增大，唇形密封腔会紧紧贴合在旋转衬套上，加剧了唇口的磨损，降低了密封圈的寿命。

因此，为了减小不同吃水工况下外界海水压力对艉轴密封的影响，必须采用带平衡型空气密封系统的艉轴密封装置。

2.1 平衡型空气密封系统

2.1.1 设计特点和组成

所谓平衡型空气密封系统[4]，就是在靠近海水侧的密封腔室中加入压缩空气，一方面很好地感知船舶吃水带来的压力变化，另一方面能合理地调整各密封圈两侧的压力，使每道密封圈的压力差比较小，从而提高密封圈的寿命。

平衡型空气密封系统采用压缩空气的好处是通过在唇型密封圈之间提供可控的“缓冲区”，将艉管中的润滑油与海水完全分离；空气没有污染，能很方便地控制压力以减小唇形密封圈两侧的压力差。

半潜船的艉轴密封装置分为后密封和前密封。从船艉向船艏依次将每个唇形密封圈进行编号：1#～6#。这样6道密封圈就形成了7个腔室。各腔室说明如下：腔室Ⅰ为1#圈外侧，即海水侧；腔室Ⅱ为1#和2#圈之间形成的空间，压缩空气腔室；腔室Ⅲ为2#和3#圈之间形成的空间；腔室Ⅳ为3#和4#圈之间形成的空间，即轴承润滑油腔；腔室Ⅴ为4#和5#圈之间形成的空间；腔室Ⅵ为5#和6#圈之间形成的空间；腔室Ⅶ为6#圈外侧，即机舱侧。

2.1.2 密封压力差设计

平衡型密封系统另一个设计要点就是要从海水侧到机舱侧逐渐降低各腔室的压力，以维持机舱侧密封圈的低压力差。

(1)1#圈直接承受海水的压力，因此需要在腔室Ⅱ中通入压缩空气来平衡外界海水的压力PSW。

腔室Ⅱ的压力PⅡ=PSW+1#圈弹簧预紧压力。压缩空气通过顶起1#圈排入海水中，所以腔室Ⅱ的气压能感知外界海水的压力大小，也保证1#圈两侧的压差最小，密封圈和轴套的磨损非常小，大大提高了该密封圈的寿命；同时，压缩空气的压力一直高于外界海水的压力，理论上海水无法渗透过1#圈。即便有少量的海水渗透过1#圈，可以用一排污管通过压缩空气将腔室Ⅱ中泄漏的海水或污油排入到泄漏收集箱中。压缩空气腔室与排污原理见图2。

(2)为了防止压缩空气进入润滑油腔，所以腔室Ⅲ的压力PⅢ>PⅡ。同时为了保证2#圈两侧的压差不要过高，一般PⅢ=PⅡ+(0.03～0.05)。

图2 压缩空气腔室与排污原理图

(3)从腔室Ⅳ开始，各腔室的压力要逐渐降低。

腔室Ⅳ的压力PⅣ=PⅢ-0.015。

(4)腔室Ⅴ的压力PⅤ=PⅣ-0.18。PⅤ压力取决于船舶吃水，当船舶吃水低于13.5 m时，取值0.035 MPa。

(5)腔室Ⅵ的压力PⅥ=(0.01～0.02) MPa。

2.2 润滑系统设计

2.2.1 腔室Ⅲ和Ⅳ的润滑系统

根据上述平衡型空气系统的原理，腔室Ⅲ和Ⅳ的压力设计最为关键。为了保证腔室Ⅲ和Ⅳ的压力符合平衡型空气系统的要求，要联合压缩空气的压力和重力油箱(润滑油箱)的高度来设置腔室Ⅲ和Ⅳ的压力。

腔室Ⅲ和Ⅳ的润滑系统原理见图3。腔室Ⅲ和Ⅳ润滑系统包括润滑油箱组件(约180 L)、润滑油泵组P1、流量计Q3和Q5,以及相关的阀件等。通过调节V32阀，使Q3流量约为(120±50) L/h，使得腔室Ⅲ的压力大于腔室Ⅱ和Ⅳ的压力。润滑油箱上通一路压缩空气，该空气管路将润滑油箱与后密封的空气腔室相连，空气压力随着吃水深度变化而变化，即当船舶尾部吃水增加时，空气腔室中的空气压力也随之增大；反之亦然。

3#圈作为2#圈的备用圈[5]，在两侧润滑油压差作用下不与密封衬套接触，不发生磨损。当图2的泄漏收集箱出现大量润滑油，且图3润滑油箱液位快速下降时，说明2#圈损坏，此时关闭V35阀，3#圈代替2#圈投入工作。

另外，润滑回路中还设置滤器堵塞、油温高、液位高或低等监测报警功能。

2.2.2 腔室Ⅴ的润滑系统

相比常规的前密封，用于半潜船的艉轴密封多了腔室V，主要目的是要将润滑油的压力逐步降低，避免前密封的密封圈承压过大。

腔室V润滑系统和腔室Ⅲ、Ⅳ的润滑系统原理基本类似，主要的差异是基于腔室V的压力要求而导致的压力油箱(约40 L)的布置高度。

2.2.3 腔室Ⅵ的润滑系统

腔室Ⅵ润滑系统和常规艉轴密封装置的前密封润滑一样，艉管前密封润滑油箱高度略高于前密封位置，保证前密封充分润滑。

2.3 空气控制系统设计

空气控制系统是平衡型空气密封系统的核心部件，是维持各腔室压力的关键系统。船上压缩空气压力一般为0.4～0.7 MPa，这就需要通过一系列的压力调整和过滤，才能应用到艉轴密封装置中。

在该空气控制系统中，由于腔室Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的压力均需要随着吃水状态变化而发生变化，故进入到艉管润滑油箱和压力油箱的压缩空气也需要根据船舶的吃水状态进行自动调整。空气控制系统原理见图4。图中，船舶上的压缩空气经过滤器F1除尘过滤、过滤器F3除湿过滤、调压阀R1的减压，再经过流量控制阀FC1进行流量调节，最后输送至各输出口。

图3 腔室Ⅲ和Ⅳ的润滑系统原理图

图4 空气控制系统原理图

输出口OUT1的压缩空气进入艉轴密封的腔室Ⅱ；输出口OUT2的压缩空气被减压阀AR1减压，输出到腔室Ⅴ的压力油箱；输出口OUT5压缩空气被减压阀AR3减压，输出到腔室Ⅲ和Ⅳ的润滑油箱。这样就保证了进入艉管润滑油箱和压力油箱的空气压力和进入腔室Ⅱ气压的差值保持基本恒定。

3 结语

该艉轴密封装置采用自感应船舶吃水深度的空气控制系统，合理控制了各道密封圈的相对压力。这种设计方法不仅能保证艉轴密封装置的可靠性，而且能保证艉轴密封装置的寿命。采用上述原理设计的带平衡型空气密封功能的艉轴密封装置应用到某50 000 t半潜船主推进系统，至今已稳定工作10 a，未出现密封损坏和泄漏等故障。该艉轴密封装置的设计对于吃水较深的海工装备推进系统艉轴密封具有借鉴意义。