载人潜水器艉轴穿舱密封技术

许 可，曹海健，王 瑞，范华涛

（1. 中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082；2. 东台船用配件有限公司，江苏 东台 224200）

0 引 言

近年来，对海洋资源尤其是 1000m以下深海资源的研究与开发越来越受重视。为了能近距离观察和开发深海资源，已研发出各类无人潜水器和载人潜水器，其中载人潜水器因具有大潜深和可搭载多名人员直接挺进深海的优点而备受瞩目。载人潜水器上通常搭载有多功能作业机械手、深海观察和探测类设备，可在深海完成各类精细观察和取样，以及进行高效勘探、科学考察和海底精细作业等[1-2]。

目前国内外的载人潜水器大多采用舷外亲水推进器直接推进艇体，在采用这种推进方式时，推进器主体结构全部位于舷外，长期浸泡于海水中，一旦出现故障，人员无法对其进行维修，这就限制了该类载人潜水器在深海作业的时间。若能采用轴系穿舱技术，则能较好地解决舷外推进器难以维修的问题，即推进电机、推力轴承等轴系设备及其附属系统均位于载人舱内，通过主轴穿过耐压舱之后与舷外的推进器连接，由于推进系统的绝大部分设备都位于载人舱内，人员可达，可进行实时在线维修。然而，穿过耐压舱的艉轴密封对于该技术的实施至关重要。由此，本文对载人潜水器轴系穿舱密封的技术特点和技术方案进行分析。

1 艉轴密封装置的组成和工作原理

载人潜水器的穿舱轴系主要由推进电机、联轴器、推力轴承、艉轴密封装置、艉轴轴承和艉轴组成，其中艉轴密封装置主要在轴系运转过程中起到密封舷外高压海水的作用。艉轴密封装置是载人潜水器耐压结构艇体上密封尺寸最大、工作环境最恶劣的动密封设备，其性能的优劣直接影响到载人潜水器在水下航行和作业的效能，甚至影响其生命力。因此各国均投入大量资源研究开发性能优良的艉轴密封装置，并已取得显著的技术成果[3]。常规的艉轴密封装置通常由端面密封、应急密封和修理密封等3个基本功能单元组成[4]（见图1）。

1) 端面密封是艉轴密封装置中最主要的密封单元，其结构形式一般为机械密封，在轴系正常运转过程中，轴系的密封任务主要通过端面密封来完成；

2) 应急密封作为端面密封的备份，在端面密封受损或发生故障时，起到临时密封的作用；

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式中,θ1=βL1代表半波长谐振器的电长度,由于谐振器的谐振条件为Yin,odd=0,因此,第一奇模谐振频率可按式(2)计算

3) 修理密封的主要作用是实现对端面密封和填料密封的检修和换件，此时艉轴应停止转动。

随着潜艇和潜水器的下潜深度逐步增加，以及对水下工作时间的要求越来越高，潜艇和潜水器对艉轴密封装置的密封性和可靠性的要求越来越高，双端面机械密封的结构形式越来越多地被采用，并朝着整体式安装结构的方向发展，采用双端面密封的结构形式可进一步提高装置密封的耐压压力和可靠性[5]。

2 载人潜水器艉轴密封装置技术方案

因此，为适应载人潜水器大潜深工作的特点，本文论证的艉轴密封装置的主密封采用轴向串联的2道端面机械密封（见图3），在艉部设置一道液压闭锁装置用作修理密封，在艏端设置一道密封填料函用作应急密封。在正常运转过程中，液压闭锁装置和应急填料密封装置处于脱开状态。串联式双端面机械密封（一）和串联式双端面机械密封（二）的密封动环、静环在水压和弹簧压力的共同作用下相互紧密贴合，产生密封作用。当轴系运转时，密封动环的摩擦面与静环的摩擦面之间会产生并维持一层水膜，对密封副进行润滑和冷却。

图2 艉轴密封装置部位合成位移图

载人潜水器的下潜深度通常可达1000m以上，如此大的下潜深度不仅要求艉轴密封装置能密封该深度对应的较大压力的外界海水，而且会造成载人舱的耐压壳产生较大的结构变形，进而使艉轴在穿过载人舱耐压壳时有较大的相对位移，因此需要艉轴密封具有较强的位移补偿能力，以保证耐压壳在结构变形条件下能可靠密封。本文研究的载人潜水器耐压艇体结构采用的是TC4钛合金材质，对载人潜水器的艉轴穿舱部位的耐压舱进行有限元建模，并采用ANSYS软件进行有限元分析，其中计算压力取10MPa（对应1000m工作水深），模型耐压结构的参数为：圆柱壳内径φ3000mm；壳板厚度t=24mm；球封头内径φ2586mm；球封头厚度t=20mm；肋骨间距l=300mm；穿舱艉轴直径φ90mm。有限元计算分析结果（见图 2）表明，在机械密封部位，艉轴的纵向位移为2.8mm，耐压结构的纵向位移为8.3mm，相对变形为5.5mm。

图3 载人潜水器艉轴密封装置结构方案

2.1 双端面机械密封

采用双端面机械密封作为主机械密封的方案，该双端面机械密封由2道密封特性相同的端面机械密封（一）和端面机械密封（二）轴向串联而成，每道机械密封的设计工作压力为5MPa。根据不同工况的要求，2道机械密封共同或各自发挥密封作用。

当水深超过500m时，舷外海水经过滤器和定压减压阀，在控制压力小于等于5MPa之后进入压力水箱，经管路进入机械密封（一）的密封腔，冷却润滑密封副（一），流出之后经二级冷却水泵加压进入机械密封（二）的密封腔，冷却润滑密封副（二）之后经艉管流出舷外。在该工况下，2道机械密封同时发挥密封作用，机械密封（一）承受的压力和机械密封（二）承受的压力均小于等于5MPa，单道机械密封承受的压力均远小于工作水深压力，在保证整机工作能力不变的前提下减小工作负荷，同时可采用成熟的机械密封副结构形式和材料。

我们知道，人的牙齿和舌头的感觉非常精细，是容不下半点“沙子”的，它们之所以能够协调，在口腔内重复进行着机械性活动，是因为它们有着自己运行的轨道，维持着口腔功能的正常运转。一旦口腔内出现任何异常，就可能会破坏口腔内的平衡，可能会发生咬伤。

设置2道动密封圈，分别为V形密封圈和O形密封圈，安装在密封端盖内的圆沟槽内。V形密封圈兼具密封和防沙功能，当密封静环进行轴向补偿时，动密封圈的位置相对固定，最大限度地免除水中杂质导致动密封部位出现卡滞现象。

1.5 统计学处理 采用SPSS17.0软件进行分析。计量资料以x±s描述，组间比较采用两独立样本t检验，组内比较采用配对t检验。计数资料用例数（%）描述，组间比较采用χ2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2.2 液压闭锁装置

当闭锁器完成任务需开启时，先向机械密封（一）的密封腔内注入与舷外等压力的压力水，再向闭锁器开启腔内注入一定压力和体积的液压油，使双活塞向艉端移动，闭锁器达到开启状态。

当载人潜水器在水下一定深度处发生推进故障无法继续前行机动时，需对端面密封或应急填料密封进行维修，或当处于全任务深度范围内需应急上浮时，向闭锁装置的闭锁腔注入一定压力和体积的液压油，使双活塞向艏端移动，端面密封环紧密贴合到机械密封（一）的动环背面，闭锁器达到闭锁密封状态，阻断舷外的海水，双活塞在舷外水压的作用下处于闭锁状态。

液压闭锁装置用作修理密封，主要由壳体、双活塞、密封圈和端面密封环组成，各部件承受水压的直径按大小排序为：艏端活塞＞艉端活塞＞端面密封环。在正常状态下，闭锁装置开启，双活塞在水压的作用下自锁于艉端，防止轴系运转时对端面密封环产生摩擦。

闭锁器用的液压油为“水-乙二醇”水溶性液压油，符合环保要求且具有隐蔽性。使用手动高压油泵注入液压油，具有较强的可操作性。

不过哥哥讲故事的时候，翠姨总比我们留心听些，那是因为她的年龄稍稍比我们大些，当然在理解力上，比我们更接近一些哥哥的了。哥哥对翠姨比对我们稍稍的客气一点。他和翠姨说话的时候，总是“是的”“是的”的，而和我们说话则“对啦”“对啦”。这显然因为翠姨是客人的关系，而且在名分上比他大。

2.3 密封填料函

密封填料函用作应急密封，主要由3道串联布置的填料函、压紧盖和周向均布的双头螺柱组成。应急密封作为端面密封的备份，在双端面机械密封受损或发生故障时起到临时密封的作用，主要通过均匀拧紧周向均布的双头螺柱上的螺母完成密封填料的同步压紧，密封填料在受到正向压紧力之后会径向膨胀，从而起到密封的作用。在该情形下，载人潜水器仅能在短时间内以较低的速度航行。

2.4 密封冷却水系统

(2)地理上的集中本身就有助于商品制造者、供给者与顾客之间产生一种更为自由的信息传播，相当数量的创新正是由于顾客需要和解决供给问题而产生的结果.

密封冷却水系统由过滤器、定压减压阀、压力水箱、一级冷却水泵、二级冷却水泵、管路、截止阀、单向阀和压力表等组成（见图4）。

当潜水水深在500m时，舷外海水（密封、冷却介质）经过滤器和一级冷却水泵之后进入机械密封（一）的密封腔，对密封副（一）进行冷却润滑之后流出该密封腔，经管道再次流入机械密封（二）的密封腔，对密封副（二）进行冷却润滑之后经艉管流出舷外。在该工况下，机械密封（一）发挥密封作用，机械密封（二）处于热备份状态，一旦机械密封（一）失效，可通过切换管路上阀门的开、关状态，将机械密封（二）投入使用。

图4 密封冷却水系统组成

机械密封动环和静环均采用浮动安装结构，避免固定安装结构产生的应力的影响，提高密封的可靠性；密封动环的材质为硬质合金；密封静环的材质在初次装船时采用碳化硅整环，在不抽轴维修更换时采用剖分式碳精环。

3 载人潜水器艉轴密封装置试验系统研制

载人潜水器艉轴密封装置的试验系统包括2部分，分别是动力驱动部分（试验系统台架）和辅助管路系统。

3.1 动力驱动部分

动力驱动部分（试验系统台架）见图5，主要由电机控制柜、推进电机、高弹联轴器、位移调整器、艉轴、艉轴轴承和2个对面布置的双端面艉轴密封装置组成。为降低推进电机旋转振动对艉轴密封装置密封性能试验的影响，将推进电机和艉轴密封装置安装在独立的支撑基座上，并使推进电机与艉轴通过高弹联轴器连接，以补偿两者之间的对中误差和减弱推进电机振动传递。

该套试验装置采用变频电机无级调速，功率为 27kW，输出转速为-400～+400r/min，艉轴外径为φ90mm。

图5 艉轴密封装置试验系统台架

针对载人潜水器艉轴密封装置部位在大潜深环境下会产生 5.5mm相对变形位移的特点，在密封试验系统中着重考虑艉轴相对位移对密封性能的影响，在艉轴密封装置试验系统的动力驱动部分，艉轴与高弹联轴器之间增加1台位移调整器（见图6），该位移调整器主要由10块1mm厚的316不锈钢圆板叠加而成，每次通过装载不同数量的不锈钢圆板来模拟艉轴的相对位移量，进而考核不同位移条件下艉轴密封装置的密封性能。

图6 位移调整器

3.2 辅助管路系统

辅助管路系统的主要功能是模拟载人潜水器的艉轴密封装置和艉轴轴承在深海高压环境下的运行环境，辅助管路系统主要由压力水桶、高压水泵、压力流量传感器、管路和阀件等组成（见图7），其主要工作原理是通过加压泵将压力水桶中的水压提升至10MPa之后分2路：一路经过冷却水泵将10MPa的压力水直接泵入艉轴轴承中；另一路经过减压阀降低至5MPa之后进入压力水槽，之后直接进入2个艉轴密封装置的机械密封（一），从其出口流出的5MPa高压水经二级高压水泵加压至10MPa之后流入机械密封（二），之后通过艉轴轴承出口流至10MPa压力水桶中。

在辅助管路系统中，从10MPa压力水桶中引出2路水路，其中：第一路的主要作用是保证能在艉轴密封装置的外部建立一个10MPa舷外高压的水环境，用来模拟载人潜水器艉轴密封装置实际的工作深度；另一路的主要作用是模拟载人潜水器的艉轴密封装置在实际工作过程中逐级减压的密封冷却水系统。

图7 艉轴密封装置试验系统的辅助管路系统

4 结 语

本文分析了常规艉轴密封装置的组成和工作原理，并结合载人潜水器大深度的工作环境和高可靠性、可实时在线维修的特点，提出了双端面艉轴密封装置和辅助密封冷却水系统的组成及其工作原理，并开展了针对该艉轴密封装置试验台架和密封辅助管路系统的技术方案设计工作。通过对该技术方案的论证，认为：除了采用现有的舷外亲水推进器推进方式以外，采用艉轴穿舱密封的技术方案也是切实可行的。