CN102507103B - 一种气体密封实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体密封实验装置，包括密封腔、驱动系统、供气回路和测试系统，特点是所述密封腔通过螺钉竖直固定在支架上，所述驱动系统包括电机、联轴器、轴承箱、转轴，所述电机通过螺钉固定在支架上，所述电机和所述转轴通过所述的联轴器相连；所述供气回路包括压缩机、气压管、调压阀，所述压缩机通过气压管与密封腔的进气口相连，所述的测试系统包括电涡流传感器、动环定位片、流量计和压力传感器。本发明可在线测量各类气体端面密封的端面气体泄漏率和气膜厚度，气体泄漏率的测量方法简单易行、动态响应好，气膜厚度的测量不受密封环材质、端面宽度和密封环面波度的影响，实验过程中转速和压力可调。

Description

一种气体密封实验装置及方法

技术领域

本发明涉及气体端面机械密封实验技术领域，具体涉及用于检测各类气体端面密封的端面气体泄漏率和气膜厚度的密封实验装置及方法。

背景技术

机械密封是防止旋转式流体机械轴端泄漏的主要手段，其中干式气体端面密封由于具有功耗低、工作寿命较长、泄漏量小甚至零泄漏等突出优点，在石化、天然气等行业的应用越来越广，是大型压缩机和特殊介质泵等旋转式流体机械轴端密封的首选形式，在反应釜上应用也越来越广泛。

随着干气密封的广泛应用，形成统一的干气密封优化设计准则就显得尤为重要，但是到目前为止尚没有公开文献系统阐述干气密封的统一设计理论与方法，这不仅形成了干气密封设计理论的盲区，而且不利于干气密封新产品的开发，在一定程度上阻碍了干气密封的发展和应用。在设计理论不完善的情况下，通过实验的方法进行干气密封的性能研究和产品开发是一条十分有效的途径，这对理论研究结果的验证、密封结构的优化和产品的小试具有重要意义。

泄漏率和端面气膜厚度是反映干气密封性能的两个重要参数。目前干气密封泄漏率的测量基本上是采用在实验密封的静环侧增加一个腔体用于收集泄漏气体然后再测量气体流量的方法，使用这种测量方法测量气体泄漏率时，气体要先充满收集泄漏气体的腔体，然后流量计才可以测量到，这样对泄漏量的测量就有一定的时间延迟，影响密封启动阶段泄漏率的测量。

电涡流传感器由于灵敏度高、可以实现非电触测量等优点而广泛应用于气体密封实验装置中气膜厚度的测量。由于电涡流传感器的作用对象必须是金属导体，这就大大限制了非金属材料密封端面气膜厚度的测量，同时被测表面的面积应该大于电涡流传感器直径的1.83倍，当密封环较窄时其使用也受到限制。目前常见的电涡流传感器的安装方法是在静环上打孔，将电涡流传感器装在孔内，如果打通孔则会影响端面工作状态，如果打盲孔则电涡流传感器与动环端面间的密封环材料将会影大大影响传感器的灵敏度。另外由于密封面存在一定的周向波度，这种安装方法会使测量的结果包含有周向波度，端面气膜厚度为微米级与表面粗糙度为同一数量级，而表面波度大于粗糙度，故测量结果存在较大误差。

发明内容

为克服现有气密封泄漏率和气膜厚度的测量设备的上述不足，降低由于设计不当造成的经济损失，本发明提供一种可在线测量各类气体端面密封的端面气体泄漏率和气膜厚度、气体泄漏率的测量方法简单易行、动态响应好、气膜厚度的测量不受密封环材质、端面宽度和密封环面波度的影响的气体密封实验装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种气体密封实验装置，包括密封腔、驱动系统、供气回路和测试系统，其特征在于：所述密封腔通过螺钉竖直固定在支架上，所述密封腔包含位于密封腔上部的实验密封和位于密封腔下部的辅助密封，实验密封动环和辅助密封动环均安装在动环座上，动环座通过紧定螺钉固定在轴套上，所述实验密封静环通过销钉与端盖相连，端盖通过螺钉与密封腔连接在一起，所述辅助密封静环通过销钉与密封腔相连，所述密封腔上设置有进气口和出气口，所述密封腔上安装有防护罩；所述驱动系统包括电机、联轴器、轴承箱、转轴，所述电机通过螺钉固定在支架上，所述电机和所述转轴通过所述的联轴器相连，所述轴承箱通过转轴设置在联轴器上方；所述供气回路包括压缩机、气压管、调压阀，所述压缩机通过气压管与密封腔的进气口相连，所述气压管上设置有所述调压阀；所述的测试系统包括电涡流传感器、动环定位片、流量计和压力传感器，所述电涡流传感器和流量计均安装于所述实验密封静环上，所述动环定位片安装在实验密封动环上，所述压力传感器与所述密封腔相连。

进一步，本发明所述的测试系统还包括计算机，所述计算机与所述驱动系统中的电机相连。

本发明所述实验密封的密封静环上装有上静环定位片和下静环定位片，所述上静环定位片和下静环定位片通过螺钉相连，与实验密封静环固定在一起，所述上静环定位片上设置有气动接头，所述气压管的一端连在气动接头上，另一端与流量计相连，所述动环定位片和所述实验密封动环通过粘合剂粘在一起。

本发明所述动环定位片外侧有定位凸堰，所述定位凸堰上周向均匀分布有多个阻尼孔，所述阻尼孔为通孔。

一种气体密封实验装置的测量方法，其特征在于：所述方法按照如下步骤进行：

(1)膜厚测量方法：实验前先调整电涡流传感器的初始位置，实验过程中实验密封动环离开实验密封静环一定距离，此时电涡流传感器可以测得动环定位片的位置变化量，那么实验密封静环和实验密封动环之间的气膜厚度即为动环定位片的位置变化量；

(2)泄漏率测量方法：当实验密封静环和实验密封动环相分离时，密封介质气体沿实验密封静环和实验密封动环之间的缝隙由外径处向内径处泄漏，由于上静环定位片和实验密封静环之间间隙有O型密封圈密封，故泄漏的气体只沿着气动接头和气压管泄漏，气压管又与流量计相连，那么流量计测得的气体流量即为实验密封静环和实验密封动环之间的端面气体泄漏率。

进一步，本发明所述的辅助密封静环是一种孔槽结合的端面密封。

本发明所述的辅助密封静环外径处加工有柳叶形微孔环带，内径处加工有螺旋槽-圆孔环带。

本发明所述的电涡流传感器、流量计、压力传感器测得的信号均通过数据采集和转换后传输到计算机，气膜厚度、端面气体泄漏率和密封腔内气体压力数值都可在计算机上显示。

本发明的工作原理是：密封腔、轴承箱和电机通过螺钉固定在支架上，电机通过联轴器带动转轴旋转，电机的转速可通过计算机调节或手动调节，转轴靠轴承箱内的一对圆锥滚子轴承支撑。密封腔内装有两套密封：一套是位于密封腔下部的辅助密封，主要用于防止密封腔内的气体泄漏；另一套是实验密封，除用于密封气体外，还作为实验的试件，实验中测量的密封端面气膜厚度和气体泄漏率均为该密封的密封性能参数。压缩机通过密封腔的进气口向密封腔内提供一定压力的气体，气体压力通过手动调节气压管路上的调压阀控制，密封腔上还装有一个压力传感器，密封腔内的气体压力可在计算机上实时显示。实验时，动环座可带动实验密封和辅助密封的动环随转轴一起旋转，在端面气膜压力作用下密封动环端面和静环端面之间会分开一定距离，该距离即为密封端面间的气膜厚度，实验密封动环和静环间的气膜厚度可由固定在上静环定位片上的电涡流传感器测得，电涡流传感器的作用对象为粘贴在实验密封动环上的动环定位片，通过动环定位片的位置变化量反映实验密封端面间的气膜厚度。通过实验密封端面泄漏的气体经过安装于上静环定位片上的气动接头流入气压管，气压管与流量计相连，测得的流量即为端面气体泄漏率。电涡流传感器和流量计测得的数据通过转换可在计算机上实时显示。

本发明所述动环定位片外侧有定位凸堰，定位凸堰上呈圆心中心均匀分布有多个阻尼孔，阻尼孔为通孔。定位凸堰用于定位动环定位片粘结在实验密封动环上时的定位。实验测量过程中，由于动环O型圈的密封作用，动环定位片与轴套之间形成一个封闭气腔，腔内气体只能通过动环定位片上的阻尼通孔流动，从而构成一个阻尼减震器，减弱轴套转动时实验密封动环的轴向振动，保持实验密封动环和静环间气膜厚度的稳定性，实现密封气膜厚度的稳定测量。

本发明中辅助密封为一种孔槽结合的耐磨损、零泄漏机械端面密封，静环端面外径处加工有“柳叶形”微孔环带，“柳叶形”微孔组包括径向的供气槽以及在供气槽左右侧分布的方向性微孔，微孔在半径方向上至少有三列；内径处加工有“螺旋槽-圆孔”环带，螺旋槽之间的密封堰上分布有一定数量的圆形微孔。无论旋转轴正向旋转或是逆向旋转，“柳叶形”微孔环带都可以使动静环密封端面之间形成连续稳定的流体膜，而且流体膜的承载能力和刚度较大，这样当实验密封需要双向旋转时，辅助密封亦可满足要求。内径处螺旋槽倾斜方向与外径处微孔倾斜方向相反，不仅可以增加动压效应，而且实现下游流体沿螺旋槽倾斜方向的向上游泵送，实现零泄漏，这样就可以防止实验过程中辅助密封泄漏率过大造成密封腔内压力下降或达不到预定压力。同时由于气体密封启动阶段端面为边界润滑或混合润滑，密封端面易产生磨粒，而外径处的倾斜微孔及内径处螺旋槽密封堰上的圆形微孔可以吸纳端面间的微粒进一步提高了密封端面的耐磨性，使得密封低压条件下启停效果好、耐磨损，可以满足密封实验台频繁启动的需求。

由于本发明中泄漏气体直接进入与流量计相连的气压管，省去了用于收集泄漏气体的腔体，泄漏率的测量延迟时间较短，动态响应较好。电涡流传感器的作用对象是金属动环定位片，这样无论密封环材质是否为金属，均可由电涡流传感器测得密封端面的气膜厚度；同时，在旋转过程中，动环端面各点处的表面特征对膜厚测量的影响不尽相同，唯有密封环端面回转中心不受表面波度的影响，该点处的测量结果可代表端面平均膜厚，由本发明中电涡流传感器的作用位置是动环定位片的中心，也就是动环的旋转中心，那么膜厚的测量结果可以不受密封面波度的影响。

本发明的有益效果是：

1.可在线测量各类气体端面密封的端面气体泄漏率和气膜厚度；

2.压力和转速可调，可测量不同密封压力及转速下的气体端面密封的密封性能；

3.气体泄漏率的测量方法简单易行、动态响应好；

4.气膜厚度的测量不受密封环材质、端面宽度和密封环面波度的影响，适用范围广、测量精度高。

附图说明

图1是本发明气体密封实验装置的整体结构示意图。

图2是本发明气体密封实验装置的测量原理图。

图3是本发明气体密封实验装置的动环定位片结构示意图。

图4是本发明气体密封实验装置的辅助密封静环端面结构示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3和图4，本发明的气体密封实验装置，包括密封腔11、驱动系统、供气回路和测试系统，特点是所述密封腔11通过螺钉竖直固定在支架12上，所述密封腔11包含位于密封腔上部的实验密封和位于密封腔下部的辅助密封，实验密封动环6和辅助密封动环9均安装在动环座8上，动环座8通过紧定螺钉固定在轴套7上，实验密封动环6与轴套7之间安装有O型密封圈32，实验密封静环5通过销钉与端盖3相连，端盖3通过螺钉与密封腔11连接在一起，所述辅助密封静环10通过销钉与密封腔11连接在一起，所述密封腔11上有进气口23和出气口4，所述密封腔11上安装有防护罩2；所述驱动系统包括电机16、联轴器15、轴承箱13、转轴14，所述电机16通过螺钉固定在支架12上，所述电机16和所述转轴14通过所述的联轴器15相连，所述轴承箱13通过转轴14设置在联轴器15上方；所述供气回路包括压缩机19、气压管17、调压阀18、22，所述压缩机19通过气压管17与密封腔11的进气口23相连，所述气压管17上设置有所述调压阀18、22；所述的测试系统包括电涡流传感器25、流量计1和压力传感器21，所述电涡流传感器25和流量计1均安装于所述实验密封静环5上，所述压力传感器21与所述密封腔11相连。

进一步，本发明所述的测试系统还包括计算机20，所述计算机20与所述驱动系统中的电机16相连。

本发明所述实验密封静环5上装有上静环定位片28和下静环定位片30，所述上静环定位片28和下静环定位片30通过螺钉27相连，与实验密封静环5固定在一起，所述上静环定位片28和实验密封静环5之间的安装间隙由O型圈29密封，所述上静环定位片28上设置有气动接头25，所述气压管24的一端连在气动接头25上，另一端与流量计1相连，所述动环定位片31和所述实验密封动环6通过粘合剂粘在一起。

进一步，本发明所述动环定位片31外侧有定位凸堰31a，定位凸堰上周向均匀分布有多个阻尼孔31b，阻尼孔31b为通孔。

一种气体密封实验装置的测量方法，特点是所述方法按照如下步骤进行：

(1)膜厚测量方法：实验前先调整电涡流传感器26的初始位置，实验过程中实验密封动环6离开实验密封静环5一定距离，由于动环定位片31和实验密封动环6粘合固定，此时电涡流传感器26可以测得动环定位片31的位置变化量，那么实验密封静环5和实验密封动环6之间的气膜厚度即为动环定位片31的位置变化量。

(2)泄漏率测量方法：当实验密封静环5和实验密封动环6相分离时，密封介质气体沿实验密封静环5和实验密封动环6之间的缝隙由外径处向内径处泄漏，由于上静环定位片28和实验密封静环5之间间隙有O型密封圈29密封，故气体只沿着气动接头25和气压管24泄漏，气压管24又与流量计1相连，那么流量计1测得的气体流量即为实验密封静环5和实验密封动环6之间的端面气体泄漏率。

进一步，本发明所述的辅助密封静环10是一种孔槽结合的端面密封。

本发明所述的辅助密封静环10外径处加工有柳叶形微孔环带10a，内径处加工有螺旋槽-圆孔环带10b。

电涡流传感器26、流量计1、压力传感器21测得的信号均通过数据采集和转换后传输到计算机20，使得实验中测得的端面气膜厚度、端面气体泄漏率和密封腔内气体压力数值都可在计算机20上实时显示。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种气体密封实验装置，包括密封腔、驱动系统、供气回路和测试系统，其特征在于：所述密封腔通过螺钉竖直固定在支架上，所述密封腔包含位于密封腔上部的实验密封和位于密封腔下部的辅助密封，实验密封动环和辅助密封动环均安装在动环座上，动环座通过紧定螺钉固定在轴套上，实验密封静环通过销钉与端盖相连，端盖通过螺钉与密封腔连接在一起，辅助密封静环通过销钉与密封腔相连，所述密封腔上设置有进气口和出气口，所述密封腔上安装有防护罩；所述驱动系统包括电机、联轴器、轴承箱、转轴，所述电机通过螺钉固定在支架上，所述电机和所述转轴通过所述的联轴器相连，所述轴承箱通过转轴设置在联轴器上方；所述供气回路包括压缩机、气压管、调压阀，所述压缩机通过气压管与密封腔的进气口相连，所述气压管上设置有所述调压阀；所述的测试系统包括电涡流传感器、动环定位片、流量计和压力传感器，所述电涡流传感器和流量计均安装于所述实验密封静环上，所述动环定位片安装在实验密封动环上，所述压力传感器与所述密封腔相连。

2.根据权利要求1所述的气体密封实验装置，其特征在于：所述的测试系统还包括计算机，所述计算机与所述驱动系统中的电机相连。

3.根据权利要求1所述的气体密封实验装置，其特征在于：所述实验密封的密封静环上装有上静环定位片和下静环定位片，所述上静环定位片和下静环定位片通过螺钉相连，与实验密封静环固定在一起，所述上静环定位片上设置有气动接头，所述气压管的一端连在气动接头上，另一端与流量计相连，所述动环定位片和所述实验密封动环通过粘合剂粘在一起。

4.根据权利要求1所述的气体密封实验装置，其特征在于：所述动环定位片外侧有定位凸堰，所述定位凸堰上周向均匀分布有多个阻尼孔，所述阻尼孔为通孔。

5.一种专用于如权利要求3所述的气体密封实验装置的测量方法，其特征在于：所述方法按照如下步骤进行：

（1）膜厚测量方法：实验前先调整电涡流传感器的初始位置，实验过程中实验密封动环离开实验密封静环一定距离，此时电涡流传感器可以测得动环定位片的位置变化量，那么实验密封静环和实验密封动环之间的气膜厚度即为动环定位片的位置变化量；

（2）泄漏率测量方法：当实验密封静环和实验密封动环相分离时，密封介质气体沿实验密封静环和实验密封动环之间的缝隙由外径处向内径处泄漏，由于上静环定位片和实验密封静环之间间隙有O型密封圈密封，故泄漏的气体只沿着气动接头和气压管泄漏，气压管又与流量计相连，那么流量计测得的气体流量即为实验密封静环和实验密封动环之间的端面气体泄漏率。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的辅助密封静环是一种孔槽结合的端面密封。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述的辅助密封静环外径处加工有柳叶形微孔环带，内径处加工有螺旋槽-圆孔环带。

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