单级和多级轴向剖分泵通常用于发电和水管理项目中以高压输送大量的水。泵的使用者依赖泵制造商提供具有成本效益、可靠耐用的设备并且利用技术和材料科学的最新进展来提高性能。
作为世界领先的原始设备制造商之一，苏尔寿在泵设计、工程设计和技术方面一直处于领先地位。苏尔寿近几年的一个项目研究了如何在不影响性能的情况下降低大型工业用轴向剖分泵的成本。
研发工程师Heike Tischler女士向大家介绍苏尔寿轴向剖分泵的最新密封概念。
01 设计回顾
在指定新设备时，需要考虑多个因素，包括产品价格、效率、可靠性和维护方便性。其中，效率应该是优先考虑的因素，因为根据不同的应用，在泵的使用寿命期间，能耗可占总生命周期成本的60%以上。然而，效率取决于许多因素，而这些因素又受应用本身的制约。此外，可靠性还受到产品设计、设备维护及其实施方式的影响。
产品的价格和易维护性在很大程度上取决于所使用的材料以及设计和制造工艺的质量。在这些高压泵中，铸造壳体所需的材料体积经过了精确计算，以确保在中开面法兰处达到最佳密封效果。
轴向剖分壳体的密封需要满足两个主要要求:
与外部环境间的密封性
壳体内不同压力区域之间的密封性
外壳体设计所涉及的计算很复杂，但基本上需要确保足够大密封面面积和足够的螺栓强度，以便对密封垫施加必要的夹紧力。在低压应用中，通常使用液态硅酮密封胶，而其它设计则使用需要相当大压紧力才能起作用的平垫片。
在计算此类壳体连接尺寸时，会将密封垫所需要的夹紧力与内部液体产生的压力相加，以确定总的夹紧力。显然，力越大，需要的螺栓或螺柱就越大，两个壳体间的连接法兰就越厚，从而增加了重量和材料成本。
02 密封原理
苏尔寿的工程师重新评估了当前泵的设计，期望能减少壳体法兰面的材料用量，从而减轻壳体的整体重量和降低材料成本。在这一过程中，开发出了一种创新性的密封概念，它不需要任何额外的力来使垫片起作用。
该设计基于O形圈的密封原理，O型圈安装在泵壳接合面上机加工出来的凹槽中。弹性O型圈的密封性能靠所密封的压力来实现。如图1所示。
图1: O型圈和密封槽的剖面，处于安装和受压状态
由于内部压力作用，壳体会发生轻微变形，从而导致接合法兰面之间出现间隙。向外渗透的压力施加于O型圈。这使得O型圈被推向低压侧的槽壁，并变形为"D"形，从而增加了弹性体与法兰表面的接触面积。
03 承压计算
然而，如果没有足够的夹紧力，接合法兰之间的间隙会增大到足以使O型圈被迫进入间隙。这些应用中出现的高压会将O型圈挤入间隙，最终导致密封失效。
这说明了壳体连接计算和确保实现适当密封以保持可靠运行的重要性。在这种情况下，O型圈密封是一种自启动密封，也就是说，它是由被密封的压力启动的。现在，在连接计算中，不需要对密封圈施加额外的压力，从而减少了所需的夹紧力。这相应地也减少了螺栓的尺寸和连接法兰所需的材料用量。
在泵壳设计方面，取决于不同的规范和材料要求，O型圈密封概念可将铸件重量减轻5%至10%。部分原因是可以将较小的夹紧螺栓布置在更靠近水力轮廓的位置。
图2和图3： 下壳体O型圈密封
04 线条密封布局
仔细观察这个密封概念，它采用O型圈密封原理和条状密封材料安装在特定尺寸的机加工凹槽中。轴向剖分的壳体意味着介于壳体压力和大气压力间的条状密封必须延伸到泵两端的机械密封处终止。
同样的，泵各级之间的条状密封也必须延伸到壳体口环部位。根据泵的布置情况，可能需要两条密封形成T形连接。这些设计均属苏尔寿专利。
图4：苏尔寿工厂试验台
对于设计中必须保持密封能力的关键部位，在开发最佳解决方案的过程中研究了多个解决方案。在选定最可靠的解决方案之前，每种设计都要在小型试验台上进行评估。
当需要进行定期维护时，O型圈的概念也比液体胶和平垫片设计具有明显的优势。传统的密封垫需要相当长的时间才能完全拆卸下来，并需要清理壳体配合表面。相比之下，O型圈密封在日常维护时很容易更换，从而减少了整体的停机时间。
05 实施
在建立了原型并验证了设计理念后，最后一步就是在一系列全尺寸泵中实施该解决方案。与苏尔寿制造的任何泵一样，完成的设计都需要进行静水压和性能测试。
第一次测试仅针对壳体，将壳体加压至出口压力的约1.5倍。这一过程要监测一段时间，以评估密封件在较高压力下的可靠性。
第二项测试在完全组装好的泵上进行，该泵连接到驱动电机并安装在测试回路上，以检查泵运行的各个方面，包括密封系统。额外的传感器用于测量级间压力和流量，以验证实际性能符合规范要求。
迄今为止，苏尔寿的创新密封理念已在数百台泵上实施和测试，其中有的泵设计压力高达110 bar (1600 psi)。这些泵目前在为世界各地的客户提供服务，帮助优化材料成本和简化维护程序。
图5：典型的BB3轴向剖分泵
