离心泵的结构、工作原理
一、概述
l1、泵是输送液体并提高液体压力的机器。
l2、泵分为化工用泵、水泵。
l3、主要差异：特殊材料和设计，防止腐蚀和适应化工工艺，包括结构、轴封、材料及检修难度。
l4、化工用泵的要求
l（1）适应化工工艺要求运行可靠。
l（2）耐腐蚀，耐磨损。
l（3）满足无泄漏要求。
l（4）耐高温或耐低温并能有效连续工作。
二、离心泵的工作原理、分类、型号及结构
l（一）、离心泵的装置及工作原理l1、为了使离心泵能正常工作，离心泵必须配备一定的管路和管件，这种配备有一定管路系统的离心泵称为离心泵装置。图1—1所示为离心泵的一般装置示意图，主要有底阀、吸入管路、出口阀、出口管线等。
2.、离心泵的工作原理
离心泵在工作时，依靠高速旋转的叶轮，液体在惯性离心力作用下获得了能量以提高了压强。离心泵在工作前，泵体和进口管线必须罐满液体介质，防止气蚀现象发生。当叶轮快速转动时，叶片促使介质很快旋转，旋转着的介质在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。一面不断地吸入液体，一面又不断地给予吸入的液体一定的能量，将液体排出。离心泵便如此连续不断地工作。
（二）离心泵的气蚀
l1、所谓的气蚀是指：离心泵启动时，若泵内存在空气，由于空气的密度很低，旋转后产生的离心力很小，因而叶轮中心区所形成的低压不足以将液位低于泵进口的液体吸入泵内，不能输送流体的现象。
l2、离心泵启动前一定要向泵壳内充满液体以后，方可启动，否则将造成泵体发热，震动，出液量减少，对水泵造成损坏（简称“气蚀”）造成设备事故！
（三）离心泵的分类
l离心泵的种类很多，分类方法常见的有以下几种方式
l1、按叶轮吸入方式分：（1）单吸式离心泵；如图1-2所示 我站稳前泵、稳后泵、循环水泵等都是此类泵。
（2）双吸式离心泵；如图1-3所示，我站消防泵是此类泵。
（3）单级双吸离心泵扬程范围为10—140m，流量范围是90—28600m3／h。按轴的安装位置不同，分卧式和立式两种结构。图12—3为卧式S型单级双吸离心泵结构。这种泵实际上相当于两个B型泵叶轮组合而成，液体从叶轮左、右两侧进入叶轮，流量大。转子为两端支承，泵壳为水平副分的蜗壳形。两个呈半螺旋形的吸液室与泵壳一起为中开式结构，共用一根吸液管，吸、排液管均布在下半个泵壳的两侧，检查泵时，不必拆动与泵相连接的管路。由于泵壳和吸液室均为蜗壳形，为了在灌泵时能将泵内气体排出，在泵壳和吸液室的高点处分别开有螺孔，灌泵完毕用螺栓封住。泵的轴封装置多采用填料密封，填料函中设置水封圈，用细管将压液室内的液体引入其中以冷却并润滑填料。轴向力自身平衡，不必设置轴向力平衡装置。在相同流量下双吸泵比单吸泵的抗汽蚀性能要好。
2按叶轮数目分：
l（1）单级离心泵泵中只有一个叶轮，单级离心泵是一种应用广泛的泵。由于液体在泵内只有一次增能，所以扬程较低。如图1—2所示为单级单吸离心泵。
l（2）多级离心泵具有两个或两个以上叶轮的离心泵称为多级离心泵。级数越多压力越高。图1—4所示为一台分段式离心水泵，这种泵的叶轮一般为单吸式。
多级离心泵 结构图
3、按离心泵扬程分：
（1）、低压泵：扬程≤20m；
（2）、中压泵：扬程≥20-100m；
（3）、高压泵：扬程≥100m ；
4、按泵的用途和输送液体性质分类：
泵可分为：
（1）清水泵；
（2）泥浆泵；
（3）酸泵；
（4）碱泵；
（5）油泵；
（6）砂泵；
（7）低温泵；
（8）高温泵；
（9）屏蔽泵等。
（四）、离心泵型号及结构
1、离心泵的型号
表1-1离心泵基本类型代号
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型号
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泵 的 名称
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型号
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泵 的 名称
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IS
B或BA
D或DA
DL
Y
YG
F
P
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ISO3国际标准型单级单吸离心水泵
单级单吸悬臂式离心清水泵
多级分段式离心泵
多级立式管形离心泵
离心式油泵
离心式管道油泵
耐腐蚀泵
屏蔽式离心泵
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S或sh
DS
KD
KDS
Z
FY
W
WX
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单级双吸式离心水泵
多级分段式首级为双吸叶轮
多级中开式离心泵
多级中开式首级为双吸叶轮
自吸式离心泵
耐腐蚀液下式离心泵
一般旋涡泵
旋涡离心泵
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2、离心泵的结构
l离心泵的品种很多，各种类型泵的结构虽然不同，但主要零部件基本相同。
l主要零部件有泵壳、泵盖、泵体、叶轮、密封环、泵轴、机封或填料函、联轴器、轴承等。
（1叶轮内口环
5-密封填料
6-密封填料压盖
7-支撑轴承压盖
8-支撑轴承
9-托架
10-止推轴承
11-油封
12-泵轴
13-叶轮键
14-挡油环
单级单吸离心泵的特点l B型泵此泵用于输送温度不超过80℃的清水及与水相近的清洁液体，扬程范围为8—125m，流量范围为4.5—362m3／h。B型泵结构简单，工作可靠，易于加工制和维护保养，是在IS型泵之前应用广泛的一种离心泵。l B型泵有前开门式和后开门式两种。前开门式为叶轮前面为泵盖，后面为泵壳；而后开门式与前开门式相反，叶轮前面为泵壳，后面为泵盖。l 图1—5所示为B型泵的前开门式结构，泵的进口在泵盖上，出口在泵壳上，泵壳是螺旋形蜗壳，泵轴的一端支承在泵体内的轴承上，另一端伸出称为悬臂端，叶轮装在悬臂端。叶轮上开有平衡孔，用来平衡部分轴向力，未平衡的轴向力由轴承承受。轴承用润滑脂润滑,多为球轴承。轴封装置采用填料密封，泵内的压力水可直接由开在泵壳上的孔送到水封环，起水封作用。
(2) IS型泵仍是单级单吸悬臂式离心泵
图l—6所示为IS型泵的结构
IS型泵仍是单级单吸悬臂式离心泵特点l 但它是按国际标准规定的性能和尺寸设计的是一种节能新产品，目前已替代B型泵。IS型泵用于输送清水和性质与水相似的液体，温度不超过80℃，流量范围为6．3—400m3／h，扬程
范围为5—125m，转速为2900r／min或1450r／min。
l图l—6所示为IS型泵的结构。它为后开门结构，主要由泵壳、泵盖、叶轮、轴、密封环、轴套及泵体等组成。泵通过加长弹性联轴器与电动机相连接，自进口方向看叶轮逆时针旋转。与B型泵比较，IS型泵的效率和吸程有较大提高，噪声低、振动小。拆下加长联轴器的中间连接件，即可取下泵的转子，故检修方便。
（3）、单级双吸式离心泵 如图1-3所示
l图1—3为卧式S型单级双吸离心泵结构。这种泵实际上相当于两个B型泵叶轮组合而成，液体从叶轮左、右两侧进入叶轮，流量大。转子为两端支承，泵壳为水平剖分的蜗壳形。两个呈半螺旋形的吸液室与泵壳一起为中开式结构，共用一根吸液管，吸、排液管均布在下半个泵壳的两侧，检查泵时，不必拆动与泵相连接的管路。由于泵壳和吸液室均为蜗壳形，为了在灌泵时能将泵内气体排出，在泵壳和吸液室的高点处分别开有螺孔，灌泵完毕用螺栓封住。泵的轴封装置多采用填料密封，填料函中设置水封圈，用细管将压液室内的液体引入其中以冷却并润滑填料。轴向力自身平衡，不必设置轴向力平衡装置。在相同流量下双吸泵比单吸泵的抗汽蚀性能要好。
（4）、多级离心泵如图1-4所示；
l人们把若干个叶轮安装在同一个泵轴上，每个叶轮与其外周的液体导流装置形成一个独立的工作室，这个工作室与叶轮组成的系统可以认为是一个单级离心泵，每个工作室前后串联，就构成了多级泵。与多个单级离心泵串联相比，多级泵具有效率高、占地面积小、操作费用低、便于维修等优点。该泵流量范围为5—720m3／h，扬程高达2800m。
l 多级离心泵除了具有单级离心泵的优点之外，它大的优点就是扬程高。多级离心泵的用途十分广泛，例如，化肥生产中，用多级泵将氨水打入碳化塔，由氨水吸收加压氮氢混合气中的二氧化碳，生产出碳酸氢铵；锅炉的给水；山区的深井提灌等。
（5）、屏蔽式离心泵 如图1-7所示
屏蔽式离心泵的特点
l化工厂常用的屏蔽泵，属于单级悬臂式离心泵，其结构图如图1-7所示；
l屏蔽泵又称无填料泵，这种泵用于输送易燃、易爆、有毒、有放射性及贵重液体，也可选作高压设备的循环用泵。其结构特点使泵的叶轮与电机的转子在同一根轴上，装在同一格密封的壳体内，没有联轴器和封装置，从根本上消除了液体外漏。为了防止输送液体昱电气部分接触，电机的定子和转子分别用金属薄壁圆筒（屏蔽套）于液体隔离。屏蔽套的材料应能耐腐蚀，并具有非磁性和高电阻率，以减少电动机因屏蔽套存在而产生额外功率消耗。为了不干扰电机的磁场，这种金属薄臂圆筒采用奥氏体系非磁性材料（1Gr18Ni9Ti）制成。由于有屏蔽套，增加了电机转子和定子的间隙，使电机效率下降，因此，要求屏蔽套的壁要很薄，一般为0.3—0.8mm.
l 屏蔽泵具有结构简单紧凑，零件少，占地少，操作可靠，长期不要检修等优点。缺点是效率低，比一般离心泵低26％—50％。
三、离心泵的主要零部件
（一）、离心泵转子
转子是指离心泵的转动部分，
它包括叶轮、泵轴、轴套、轴承等零；如图1—9所示。
图1—9
1．叶轮
l叶轮是离心泵的做功零件，依靠它高速旋转对液体做功而实现液体的输送，是离心泵重要零件一。
l叶轮一般由轮毅、叶片和盖板三部分组成。叶轮的盖板有前盖板和后盖板之分，叶轮口侧的盖板称为前盖板，另一侧的盖板称为后盖板。
l按结构形式，叶轮可分为以下三种。
l(1)闭式叶轮叶轮的两侧均有盖板，盖板间有4—6个叶片，如图1—10 (a)所示。闭式叶轮效率较高，应用广，适用于输送不含固体颗粒及纤维的清洁液体。闭式叶轮有单吸和双吸两种类型。双吸叶轮如图1—11所示，适用于大流量泵，其抗汽蚀性能较好。如图1—10 (b)。这种叶轮结构简单，制造容易，但效率低，适用输送含较多固体悬浮物或带纤维体。
l(3)半开式叶轮这种叶轮只有后盖板，如图1—10 (c)所示。它适用于输送易于沉淀或含固体悬浮物的液体，其效率介于开式和闭式叶轮之间。
l 离心泵叶轮的叶片有圆柱形叶片和组曲叶片两种。圆柱形叶片是指整个叶片沿宽度方向均与叶轮轴线平行，图1-10所示的叶轮叶片均为圆柱形叶片。
l叶轮的材料，主要是根据所输送液体的化学性质、杂质及在离心力作用下的强度来确定。清水离心泵叶轮用铸铁或铸钢制造，输送具有较强腐蚀性的液体时，可用青铜、不锈钢、陶瓷、耐酸硅铁及塑料等制造。叶轮的制造方法有翻砂铸造、精密铸造、焊接、模压等，其尺寸、形状和制造精度对泵的性能影响很大。
叶轮 结构图
2．泵轴
l离心泵的泵轴的主要作用是传递动力，支承叶轮保持在工作位置正常运转。它一端通过联轴器与电动机轴相连，另一端支承着叶轮作旋转运动，轴上装有轴承、轴向密封等零部件。
l 泵轴属阶梯轴类零件，一般情况下为一整体。但在防腐泵中，由于不锈钢的价格较高，有时采用组合件。接触介质的部分用不锈钢，安装轴承及联轴器的部分用优质碳素结构钢，不锈钢与碳
钢之间可以采用承插连接或过盈配合连接。由于泵轴用于传递动力，且高速旋转，在输送清水等无腐蚀性介质的泵中，一般用45#钢制造，并且进行调质处理。在输送盐溶液等弱腐蚀性介质的泵
中，泵轴材料用40Cr，且调质处理。在防腐蚀泵中，即输送酸、碱等强腐蚀性介质的泵中，泵轴材质一般为1Crl8Ni9或1Crl8Ni9Ti等不锈钢。
图1—12
3．轴套
l轴套的作用是保护泵轴，使填料与泵轴的摩擦转变为填料与轴套的摩擦，所以轴套是离心泵的易磨损件。轴套表面一般也可以进行渗碳、渗氮、镀铬、喷涂等处理方法，表面粗糙造度要求一般要达到Ra3.2μm—Ra0.8μm。可以降低摩擦系数，提高使用寿命。
4．轴承
轴承起支承转子重量和承受力的作用。离心泵上多使用滚动轴承，其外圈与轴承座孔采用基轴制，内圈与转轴采用基孔制，配合类别国家标准有推荐值，可按具体情况选用。轴承一般用润滑脂和润滑油润滑。
图1—14
(二)、蜗壳和导轮
蜗壳与导轮的作用，一是汇集叶轮出口处的液体，引入到下一级叶轮入口或泵的出口；二是将叶轮出口的高速液体的部分动能转变为静压能。一般单级和中开式多级泵常设置蜗壳，分段式多级泵则采用导轮。
1．蜗壳
蜗壳是指叶轮出口到下一级叶轮入口或到泵的出口管之间截面积逐渐增大的螺旋形流道，如图1—15所示。其流道逐渐扩大，出口为扩散管状。液体从叶轮流出后，其流速可以平缓地降低，使很大一部分动能转变为静压能。
l 蜗壳的优点是制造方便，高效区宽，车削叶轮后泵的效率变化较小。缺点是蜗壳形状不对称，在使用单蜗壳时作用在转子径向的压力不均匀，易使轴弯曲，所以在多级泵中只是首段和尾段采用蜗壳而在中段采用导轮装置。蜗壳的材质一般为铸铁。防腐泵的蜗壳为不锈钢或其他防腐材料，例如塑料玻璃钢等。多级泵由于压力较大，对材质强度要求较高，其蜗壳一般用铸钢制造。
2．导轮
l导轮是一个固定不动的圆盘，正面有包在叶轮外缘的正向导叶，这些导叶构成了一条条扩散形流道，背面有将液体引向下一级叶轮人口的反向导叶，其结构如图1—16所示。液体从叶轮甩出后，平缓地进入导轮，沿着正向导叶继续向外流动，速度逐渐降低，动能大部分转变为静压能。液体经导轮背面的反向导叶被引入下一级叶轮导轮上的导叶数一般为4—8片，导叶的入口角一般为8°一16°，叶轮与导叶间的径向单侧间隙约为lmm。若间隙过大，效率会降低；间隙过小，则会引起振动和噪声。与蜗壳相比，采用导轮的分段式多级离心泵的泵壳容易制造，转能的效率也较高。但安装检修较蜗壳困难。另外，当工况偏离设计工况时，液体流出叶轮时的运动轨迹与导叶形状不一致，使其产生较大的冲击损失。由于导轮的几何形状较为复杂，所以一般用铸铁铸造而成。
(三)、密封环
l从叶轮流出的高压液体通过旋转的叶轮与固定的泵壳之间的间隙又回到叶轮的吸入口，称为内泄漏，如图1—17所示。为了减少内泄漏，保护泵壳，在与叶轮入口处相对应的壳体上装有可拆换的密封环。
l 密封环的结构形式有三种，如图1—18所示。图1—18 (a)为平环式，结构简单，制造方便。但密封效果差；图l—18 (b)为直角式的密封环，液体泄漏时通过一个90°的通道，密封效果比平环式好，应用广泛； 图1—18 (c)为迷宫式密封环，密封效果好，但结构复杂，制造困难，一般离心泵中很少采用。密封环内孔与叶轮外圆处的径向间隙一般在0．1—0．2mm之间。
l 密封环磨损后，使径向间隙增大，泵的排液量减少，效率降低，当密封间隙超过规定值时应及时更换。
l 密封环应采用耐磨材料制造，常用的材料有铸铁、青铜等。
密封环的形式
(四)、轴向密封装置l 从叶轮流出的高压液体，经过叶轮背面，沿着泵轴和泵壳的间隙流向泵外，称为外泄漏。在旋转的泵轴和静止的泵壳之间的密封装置称为轴封装置。它可以防止和减少外泄漏，提高泵的效率，同时还可以防止空气吸入泵内，保证泵的正常运行。特别在输送易燃、易爆和有毒液体时，轴封装置的密封可靠性是保证离心泵安全运行的重要条件。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。
1．填料密封l 填料密封指依靠填料和轴(轴套)的外圆表面接触来实现密封的装置。它由填料箱(又称填料函)、填料、液封环、填料压盖和双头螺栓等组成，如图1—19所示。液封环安装时必须对准填料函上的入液口，通过液封管与泵的出液管相通，引入压力液体形成液封，并冷却润滑填料。填料密封是通过填料压盖压紧填料，使填料发生变形，并和轴(或轴套)的外圆表面接触，防止液体外流和空气吸入泵内。填料密封的密封性可用调节填料压盖的松紧程度加以控制。填料压盖过紧，密封性好，但使轴和填料间的摩擦增大，加快了轴的磨损，增加了功率消耗，严重时造成发热、冒烟，甚至将填料烧毁。填料压盖过松，密封性差，泄漏量增加，这是不允许的。合理的松紧度应该使液体从填料函中滴状漏出，每分钟控制在15—20滴左右。对有毒、易燃、腐蚀及贵中叶体，由于要求泄漏量较小或不准泄漏，可以通过另一台泵将清水或其他无害液体打到液封环中进行密封，以保证有害液体不漏出泵外。也可采用机械密封装置。l 低压离心泵输送温度小于40℃时，常用石墨填料或黄油渗透的棉织填料；输送温度小于250℃、压力小于1．8MPa的液体时，用石墨浸透的石棉填料；输送温度小于400℃、允许工作压力为2．5MPa的石油产品时，用金属箔包石棉芯子填料。
2．机械密封
l填料密封的密封性能差，不适用于高温、高压、高转速、强腐蚀等恶劣的工作条件。机械密封装置具有密封性能好，尺寸紧凑，使用寿命长，功率消耗小等优点，近年来在化工生产中得到了广泛的使用。
l (1)结构及工作原理依靠静环与动环的端面相互贴合，并作相对转动而构成的密封装置，称为机械密封，又称端面密封。其结构如图1—20所示。紧定螺钉1，将弹簧座2固定在轴上，弹簧座2、弹簧3、推环4、动环6和动环密封圈5均随轴转动，6静环7、静环密封圈8装在压盖上，并由防转销9固定，静止不动。动环、静环、动环密封圈和弹簧是机械密封的主要元件。而动环随轴转动并与静环紧密贴合是保证机械密封达到良好效果的关键。l机械密封中一般有四个可能泄漏点A、B、C、D和E。密封点A在动环与静环的接触面上，它主要靠泵内液体压力及弹簧力将动环压贴在静环上，防止A点泄漏；但两环的接触面A上总会有少量液体泄漏，它可以形成液膜，一方面可以阻止泄漏，另一方面又可起润滑作用；为保证两环的端面贴合良好，两端面必须平直光洁。密封点B在静环与静环座之间，属于静密封点；用有弹性的O形(或V形)密封圈压于静环和静环座之间，靠弹簧力使弹性密封圈变形而密封。密封点C在动环与轴之间，此处也属静密封，考虑到动环可以沿轴向窜动，可采用具有弹性和自紧性的V形密封圈来密封。密封点D在静环座与壳体之间，也是静密封，可用密封圈或垫片作为密封元件。密封E点有轴套，在轴套与轴之间，也是静密封，可用密封圈或垫片作为密封元件。
(2)结构形式
l机械密封的结构形式很多，主要是根据摩擦副的对数、弹簧、介质和端面上作用的比压情况以及介质的泄漏方向等因素来划分。
①内装式与外装式
l内装式是弹簧置于被密封介质之内(见图1—20、图1—21)，外装式则是弹簧置于被密封介质的外部，如图1-22所示。
图1—20非平衡型单端面机械密封 图1—21非平衡型双端面机械密封
l一紧定螺钉；2一弹簧座；3弹簧；4推环； 1一静密封圈；2静环；3动环；4一 动环密封圈；
5一动环密封圈；6一动环；7静环； 5一推环；6一弹簧；7紧定螺 钉；8弹簧座；
8静环密封圈；9防转销 9一防转销
l内装式可使泵轴长度减小，但弹簧直接与介质接触，外装式正好相反。在常用的外装式结构中，动环与静环接触端面上所受介质作用·力和弹簧力的方向相反，当介质压力有波动或升高时，若弹簧力余量不大，就会出现密封不稳定；而
l 当介质压力降低时，又因弹簧力不变,使端面上受力过大，特别是在低压启动时，由于摩擦副尚未形成液膜，端面上受力过大容易磨伤密封面。所以外装式适用于介质易结晶、有腐蚀性、较黏稠和压力较低的场合。
l 内装式的端面比压随介质压力的升高而升高，密封可靠，应用较广。
②非平衡型与平衡型
非平衡型与平衡型在端面密封中，介质施加于密封端面上的载荷情况，可用载荷系数久表示，如图1—23所示。载荷系数K为介质压力的作用面积与密封端面面积之比，
③单端面与双端面机械密封
单端面与双端面机械密封动环与静环组成摩擦副，有一对摩擦副的称为单端面机械密封，如图1—20所示，有两个摩擦副的称为双端面机械密封，如图l—21所示。与单端面密封相比，双端面密封有更好的可靠性，适用范围更广，可以完全防止被密封介质的外泄漏，但结构较复杂，造价高。
(3)机械密封零件材料
l正确合理地选择机械密封装置中的各零件材料，是保证密封效果，延长使用寿命的重要条件。材料必须满足设备运转中的工作条件，具有较高的强度、刚度、耐蚀性、耐磨性和良好的加工性。
l 在一对摩擦副中，不用同一材料制造动环和静环，以免运转时发生咬合现象。通常是动环材质硬，静环材质软，即硬—软配对。常用的金属材料有铸铁、碳钢、铬钢、铬镍钢、青铜、碳化钨等，非金属材料有石墨浸渍巴氏合金、石墨浸渍树脂、填充聚四氟乙烯、酚醛塑料、陶瓷等。
l 辅助密封圈一般用各种橡胶、聚四氟乙烯、软聚氯乙烯塑料等。
l 弹簧常用材料有磷青铜、弹簧钢及不锈钢。
(4)冷却冲洗
l由于机械密封本身的工作特点，动静环的端面在工作中相互摩擦，不断
l产生摩擦热，使端面温度升高，严重时会使摩擦副间的液膜汽化，造成干摩擦，使摩擦副严重磨损，温度升高还使辅助密封圈老化，失去弹性，动静环产生变形。为了消除这些不良影响，保证机械密封的正常工作，延长使用寿命，故要求对不同工作条件采取适当的冷却措施，以将摩擦热及时带走。常用的冷却措施有冲洗法和冷却法。
a、冲洗法利用密封液体或其他低温液体冲洗密封端面，带走摩擦热并防止杂质颗粒积聚。在被输送液体温度不高，杂质含量较少的情况下，由泵的出口将液体引入密封腔冲洗密封端面，然后再流回泵体内，使密封腔内液体不断更新，带走摩擦热。当被输送液体温度较高或含有较多杂质时，可在冲洗回路中装冷却器或过滤器，也可以从外部引入压力相当的常温密封液。常用的冲洗冷却机械密封装置的结构如图l—24所示。
lb、冷却法分为直接冷却和间接冷却。直接冷却是用低温冷却水直接与摩擦副内径接触，冷却效果好。缺点是冷却水硬度高时，水垢堆积在轴上会使密封失效。并且要有防止冷却水向大气一侧泄漏的措施，因此，使用受到限制。
l间接冷却常采用静环背部引入冷却水结构，如图1—25所示。也可采用密封腔外加冷却显著，话用于输送高温液体。
图1--24冲洗冷却机械密封装置 图1—25静环背部引入冷却水 图1—26密封腔外加冷却水套
