CN107063668B - 一种适用于多工况的干气密封实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多工况的干气密封实验系统，用来对多种工况下不同结构的干气密封装置进行气动性能的实验测量。该系统包括传动系统、供气系统、密封系统以及测量控制系统。该实验系统工作时，由供气系统提供实验设定状态的密封工质进入密封系统，传动系统带动密封系统运转实现密封效果，测量控制系统对实验过程中各参数进行控制和测量，得到干气密封气动性能的实验结果。本发明可以测量不同工质、不同压力、不同温度、不同转速、不同密封结构下的干气密封气动性能，使得多工况下的干气密封气动性能实验测量更加便捷准确。
Description
技术领域：
本发明涉及一种适用于多工况的干气密封实验系统。
背景技术：
干气密封是一种基于气体动压轴承理论发展出来的非接触式机械密封，具有非接触、无磨损、低能耗、寿命长、密封性能好等突出优点，因此在大型机组的旋转机械设备上得到了广泛的应用。
典型的干气密封结构包括静环、动环以及弹性元件等。在静环或动环上加工有周期性分布的微米级浅槽。当密封旋转时，介质气体沿周向被吸入动压槽内，并从外径处流向内侧低压处，此时密封限制气体向内侧流动，介质被压缩，产生一定的流体动压力，在动静环端面间形成一定厚度的端面气膜，实现干气密封的非接触稳定运转。
上个世纪50至70年代，经过大量的研究，干气密封的理论机理已经较为透彻，计算机技术的快速发展也为干气密封的开发设计以及性能评估提供了可靠的手段。而现阶段，通过实验方法获得各种不同工况下不同干气密封的气动性能是设计开发干气密封的关键任务。因此，搭建适用于多工况的干气密封实验台，实现多种工况下干气密封各性能参数的测量，对于干气密封气动性能的研究以及新干气密封结构的设计开发具有重要意义。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种适用于多工况的干气密封实验系统，用于对多种工况下不同类型的干气密封进行实验，获取干气密封的各性能参数，得到干气密封的气动性能。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种适用于多工况的干气密封实验系统，包括传动系统、供气系统、密封系统以及测量控制系统；其中，
该实验系统工作时，由供气系统提供实验设定状态的密封工质进入密封系统，传动系统带动密封系统运转实现密封效果，测量控制系统对实验过程中各参数进行控制和测量，得到干气密封气动性能的实验结果。
本发明进一步的改进在于，传动系统包括齿轮箱及相应连接结构、电机主轴、第一联轴器、第二联轴器、轴承箱和密封主轴；
供气系统包括主气瓶、备用气瓶、漩涡气泵、凝聚过滤器、挂壁式温度控制柜、气体管式加热器、稳压罐和泄压阀；
密封系统包括密封腔、泄漏气体收集壳、气体溶解箱、喷射真空泵和储存气瓶；
测量控制系统包括第一压力表、第二压力表、第三压力表、第四压力表、扭矩转速仪、第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、温度传感器、金属管浮子流量计、数据采集仪和计算机；
齿轮箱及相应连接结构输出端连接电机主轴，电机主轴与密封主轴之间通过第一联轴器和第二联轴器连接，轴承箱设置在第二联轴器和密封主轴之间；
供气系统分为三个支路，第一支路由主气瓶提供设定压力气体作为密封工质；第二支路由备用气瓶提供备用气体；第三支路由旋涡气泵压缩空气作为密封工质；三个支路的出口与凝聚过滤器相连，经过凝聚过滤器的过滤作用，去除掉密封工质中的杂质；气体经过凝聚过滤器的出口进入气体管式加热器加热升温，通过挂壁式温度控制柜控制加热后的气体温度达到实验设定温度，并通入稳压罐以使气体均匀稳定流动，同时通过泄压阀进行压力调节后送入密封系统中的密封腔；
密封腔是干气密封实验系统的实验段，用来密封气体，密封腔外面安装泄漏气体收集壳，用来收集干气密封泄露的气体，密封腔内部用来布置干气密封；
第一压力表用来测量主气瓶提供的密封工质压力，第二压力表用来测量备用气瓶提供的密封工质压力，第三压力表与漩涡气泵出口连接，用来测量漩涡气泵提供的压缩空气压力，第四压力表用来测量最终送入密封腔的密封工质压力，扭矩转速仪布置在第一联轴器与第二联轴器之间，用来测量密封主轴的扭矩与转速，第一电涡流传感器布置在密封主轴的两个主惯性轴方向，用来测量密封主轴的轴向振动；
工作时，干气密封的静环安装在环形装置上，与密封腔壁通过弹簧相连，第二电涡流传感器布置在环形装置的轴心线上，与密封主轴设有距离，干气密封的动环套装在密封主轴，在靠近静环的端面上开设有槽，当实验系统运行稳定后，静环受到流体动压力作用压缩弹簧使得膜厚增大，第二电涡流传感器测得第二电涡流传感器的测量端面与密封主轴端面之间的位移变化，即为气膜厚度变化值；在静环背面取若干个不同半径的圆周，在每个圆周上沿周向均匀加工4个不等深孔，布置温度传感器，根据线性插值法得到静环端面不同半径处的温度；金属管浮子流量计布置在泄漏气体收集壳上，用来测量密封工质泄露量；数据采集仪用来接收第一电涡流传感器、第二电涡流传感器、温度传感器以及金属管浮子流量计的数据，并送入计算机中进行显示和记录。
本发明进一步的改进在于，齿轮箱及相应连接结构中的齿轮箱输出端能够达24000rpm。
本发明进一步的改进在于，传动系统还包括油泵，用于为轴承箱供油对轴承进行润滑。
本发明进一步的改进在于，供气系统还包括第一截止阀、第二截止阀和高压精密调节阀，第一截止阀用于控制主气瓶中提供的气体的流量，第二截止阀用于控制备用气瓶中提供的备用气体的流量，高压精密调节阀用于调节流出稳压罐的气体的压力至实验要求压力值。
本发明进一步的改进在于，供气系统中，当密封气体为化工常见气体时，由第一支路提供密封工质，第二支路作为备用气源；当密封气体为空气时，由第三支路提供压缩空气，同时也可用于冷却高温高压实验结束后的管道。
本发明进一步的改进在于，高温高压工况下，干气密封的表面上布置有球窝球凸结构。
本发明进一步的改进在于，在泄漏气体收集壳出口处连接有两个气体回收支路；第一气体回收支路布置气体溶解箱，用来回收溶解性强的密封工质，第二气体回收支路布置喷射真空泵进行抽吸，使得泄漏气体回收入储存气瓶中。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种适用于多工况的干气密封实验系统，实现了对多工况下干气密封气动性能的实验测量，通过供气系统提供实验设定状态的密封工质进入密封系统，传动系统带动密封系统运转实现密封效果，测量控制系统对实验过程中各参数进行控制和测量，得到干气密封气动性能的实验结果。该系统可以测量不同工质、不同压力、不同温度、不同转速、不同密封结构下的干气密封气动性能。
进一步，该系统适用于多种工质实验，供气系统分为三个支路，方便更换密封工质，主气源与备用气源的结合使用避免了突发事故，空气支路可提供压缩空气工质，同时可为高温实验结束后的管道进行冷却处理。
该系统适用于多种温度实验，采用气体管式加热器、挂壁式温度控制柜为实验密封工质加热，取代了常见的加热棒、大功率加热网等设备，使得密封工质达到实验所需的温度，操作方便、控制准确。同时可为特殊工质，尤其是超临界二氧化碳工质提供所需温度条件。
该系统适用于多种干气密封结构实验。实验测试段干气密封为可自由拆卸装配的配合方式，方便更换密封结构及布置方式。
实验采用压力表、扭矩转速仪、电涡流传感器、温度传感器、金属浮子流量计等多种仪表进行测量及控制，保证实验精度。其中，考虑到密封主轴振动影响，采用电涡流传感器监测轴系振动，在结果处理过程中可以消除轴系振动对测量的影响。
实验中各参数显示记录方便。供气系统的压力和温度由压力表及温度控制柜直接显示，控制调节方便。密封系统各参数由各传感器测得并送入计算机统一记录和储存，便于观察研究。
该系统测试方法对干气密封性能影响较小。在静环背面取若干个不同半径的圆周，在每个圆周上沿周向均匀加工4个不等深孔，布置温度传感器，根据线性插值法得到静环端面不同半径处的温度。在安装静环的环形装置上布置电涡流传感器，以电涡流传感器端面与密封主轴端面之间的距离变化量代替气膜厚度变化量。此方法消除了动环和静环表面开孔对干气密封性能的影响。
进一步，该系统适用于多种转速实验，齿轮箱高速输出端最大转速可达24000rpm。
进一步，在高温高压工况下，干气密封表面布置球窝球凸结构可以强化换热效果，降低动静环表面温度，减小热变形，降低干气密封失效几率。
进一步，实验密封装置中加入两支路气体回收支路，减少污染，节约成本。
附图说明：
图1是适用于多工况的干气密封实验系统示意图；
图2a为干气密封结构示意图，图2b和图2c均为常规螺旋槽干气密封流体域周期对称模型示意图，图2d为表面布置球窝球凸结构的螺旋槽干气密封流体域周期对称模型示意图；
图3是测量方法示意图。
图中：1为主气瓶，2为第一截止阀，3为第一压力表，4为备用气瓶，5为第二截止阀，6为第二压力表，7为漩涡气泵，8为第三压力表，9为凝聚过滤器，10为挂壁式温度控制柜，11为气体管式加热器，12为稳压罐，13为高压精密调节阀，14为第四压力表，15为泄压阀，16为齿轮箱及相应连接结构，17 为电机主轴、18为第一联轴器，19为扭矩转速仪，20为第二联轴器，21为轴承箱，22为油泵，23为密封主轴，24为密封腔，25为泄漏气体收集壳，26为干气密封，27第一电涡流传感器，28为第二电涡流传感器，29为温度传感器， 30为金属管浮子流量计，31为第三截止阀，32为气体溶解箱，33为喷射真空泵，34为储存气瓶，35为数据采集仪，36为计算机，37为静环，38为槽，39 为动环，40为环形装置，41为弹簧，42为密封腔壁。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提出一种适用于多工况的干气密封实验系统，包括传动系统、供气系统、密封系统以及测量控制系统。
其中，所述的传动系统包括：齿轮箱及相应连接结构16、电机主轴17、第一联轴器18、第二联轴器20、轴承箱21、油泵22和密封主轴23。该齿轮箱及相应连接结构16最高转速可达24000rpm，为试验系统提供了多种转速的测试条件。齿轮箱及相应连接结构16输出端连接电机主轴17，电机主轴17与密封主轴23之间通过第一联轴器18和第二联轴器20连接。在第二联轴器20和密封主轴23之间还有轴承箱21，旁边布置有油泵22为轴承箱21供油对轴承进行润滑。
所述的供气系统包括：主气瓶1、第一截止阀2、备用气瓶4、第二截止阀 5、漩涡气泵7、凝聚过滤器9、挂壁式温度控制柜10、气体管式加热器11、稳压罐12、高压精密调节阀13和泄压阀15。该供气系统分为三个支路：第一支路由主气瓶1提供一定压力气体作为密封工质、第一截止阀2控制主气瓶1中提供的气体的流量；第二支路由备用气瓶4提供备用气体，由第二截止阀5控制流量；第三支路由旋涡气泵7压缩空气作为密封工质。当密封气体为化工常见气体时，由第一支路提供密封工质，第二支路作为备用气源。当密封气体为空气时，由第三支路提供压缩空气，同时也可用于冷却高温高压实验结束后的管道。三个支路的出口与凝聚过滤器9相连，经过凝聚过滤器9的过滤作用，去除掉密封工质中的杂质。气体经过凝聚过滤器9的出口进入气体管式加热器 11加热升温，通过挂壁式温度控制柜10控制加热后的气体温度达到实验设定温度。经过加热升温的气体不稳定，需要将其通入稳压罐12以使气体均匀稳定流动。采用高压精密调节阀13调节流出稳压罐12的气体的压力至实验要求压力值，同时通过泄压阀15进行压力调节后送入密封腔24。
所述的密封系统包括：密封腔24、泄漏气体收集壳25、干气密封26、第三截止阀31、气体溶解箱32、喷射真空泵33和储存气瓶34。密封腔24是干气密封实验系统的实验段，用来密封气体。密封腔24外面安装泄漏气体收集壳25，用来收集干气密封泄露的气体。密封腔24内部布置有干气密封26。
参见图2a至图2d，实验用干气密封装置分为两种：常规干气密封以及高温高压干气密封。常规干气密封为动环开槽，如图2a所示。参见图2b和图2c，给出了两个常规螺旋槽干气密封流体域周期对称模型示意图。高温高压干气密封如图2d所示，在坝区布置球窝球凸结构增强换热，降低动静环表面温度，减小热变形，降低干气密封失效几率。在泄漏气体收集壳25出口处连接有两个气体回收支路。第一气体回收支路布置第三截止阀31及气体溶解箱32，用来回收溶解性强的密封工质。第二气体回收支路布置喷射真空泵33进行抽吸，使得泄漏气体回收入储存气瓶34中。
所述的测量控制系统包括：第一压力表3、第二压力表6、第三压力表8、第四压力表14、扭矩转速仪19、第一电涡流传感器27、第二电涡流传感器28、温度传感器29、金属管浮子流量计30、数据采集仪35和计算机36。第一压力表3与第一截止阀2出口连接，用来测量主气瓶1提供的密封工质压力。第二压力表6与第二截止阀5出口连接，用来测量备用气瓶4提供的密封工质压力。第三压力表8与漩涡气泵7出口连接，用来测量漩涡气泵7提供的压缩空气压力。第四压力表14与高压精密调节阀13出口相连，用来测量最终送入密封腔 24的密封工质压力。扭矩转速仪19布置在第一联轴器18与第二联轴器20之间，用来测量密封主轴23的扭矩与转速。第一电涡流传感器27布置在密封主轴23 的两个主惯性轴方向，用来测量密封主轴23的轴向振动。
参见图3，干气密封26的静环37安装在环形装置40上，与密封腔壁42通过弹簧41相连。第二电涡流传感器28布置在环形装置40的轴心线上，与密封主轴23设有距离，干气密封26的动环39套装在密封主轴23，靠近静环37的端面上开设有槽38。当实验系统运行稳定后，静环37受到流体动压力作用压缩弹簧41使得膜厚增大，第二电涡流传感器28测得第二电涡流传感器28的测量端面与密封主轴端面之间的位移变化，即为气膜厚度变化值。在静环37背面取若干个不同半径的圆周，在每个圆周上沿周向均匀加工4个不等深孔，布置温度传感器29，根据线性插值法得到静环37端面不同半径处的温度。金属管浮子流量计30布置在泄漏气体收集壳25上，用来测量密封工质泄露量。数据采集仪35用来接收第一电涡流传感器27、第二电涡流传感器28、温度传感器29以及金属管浮子流量计30的数据，并送入计算机36中进行显示和记录。
整个干气密封实验系统运行时，传动系统带动整个实验系统运转，供气系统向密封系统提供满足实验设定状态的密封工质，由测量控制系统对干气密封各参数进行测量，从而实现多工况下的干气密封气动性能的实验测量。
Claims (8)
1.一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，包括传动系统、供气系统、密封系统以及测量控制系统；其中，
该实验系统工作时，由供气系统提供实验设定状态的密封工质进入密封系统，传动系统带动密封系统运转实现密封效果，测量控制系统对实验过程中各参数进行控制和测量，得到干气密封气动性能的实验结果；
传动系统包括齿轮箱及相应连接结构(16)、电机主轴(17)、第一联轴器(18)、第二联轴器(20)、轴承箱(21)和密封主轴(23)；
供气系统包括主气瓶(1)、备用气瓶(4)、漩涡气泵(7)、凝聚过滤器(9)、挂壁式温度控制柜(10)、气体管式加热器(11)、稳压罐(12)和泄压阀(15)；
密封系统包括密封腔(24)、泄漏气体收集壳(25)、气体溶解箱(32)、喷射真空泵(33)和储存气瓶(34)；
测量控制系统包括第一压力表(3)、第二压力表(6)、第三压力表(8)、第四压力表(14)、扭矩转速仪(19)、第一电涡流传感器(27)、第二电涡流传感器(28)、温度传感器(29)、金属管浮子流量计(30)、数据采集仪(35)和计算机(36)；
齿轮箱及相应连接结构(16)输出端连接电机主轴(17)，电机主轴(17)与密封主轴(23)之间通过第一联轴器(18)和第二联轴器(20)连接，轴承箱(21)设置在第二联轴器(20)和密封主轴(23)之间；
供气系统分为三个支路，第一支路由主气瓶(1)提供设定压力气体作为密封工质；第二支路由备用气瓶(4)提供备用气体；第三支路由旋涡气泵(7)压缩空气作为密封工质；三个支路的出口与凝聚过滤器(9)相连，经过凝聚过滤器(9)的过滤作用，去除掉密封工质中的杂质；气体经过凝聚过滤器(9)的出口进入气体管式加热器(11)加热升温，通过挂壁式温度控制柜(10)控制加热后的气体温度达到实验设定温度，并通入稳压罐(12)以使气体均匀稳定流动，同时通过泄压阀(15)进行压力调节后送入密封系统中的密封腔(24)；
密封腔(24)是干气密封实验系统的实验段，用来密封气体，密封腔(24)外面安装泄漏气体收集壳(25)，用来收集干气密封泄露的气体，密封腔(24)内部用来布置干气密封(26)；
第一压力表(3)用来测量主气瓶(1)提供的密封工质压力，第二压力表(6)用来测量备用气瓶(4)提供的密封工质压力，第三压力表(8)与漩涡气泵(7)出口连接，用来测量漩涡气泵(7)提供的压缩空气压力，第四压力表(14)用来测量最终送入密封腔(24)的密封工质压力，扭矩转速仪(19)布置在第一联轴器(18)与第二联轴器(20)之间，用来测量密封主轴(23)的扭矩与转速，第一电涡流传感器(27)布置在密封主轴(23)的两个主惯性轴方向，用来测量密封主轴(23)的轴向振动。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，工作时，干气密封(26)的静环(37)安装在环形装置(40)上，与密封腔壁(42)通过弹簧(41)相连，第二电涡流传感器(28)布置在环形装置(40)的轴心线上，与密封主轴(23)设有距离，干气密封(26)的动环(39)套装在密封主轴(23)，在靠近静环(37)的端面上开设有槽(38)，当实验系统运行稳定后，静环(37)受到流体动压力作用压缩弹簧(41)使得膜厚增大，第二电涡流传感器(28)测得第二电涡流传感器(28)的测量端面与密封主轴端面之间的位移变化，即为气膜厚度变化值；在静环(37)背面取若干个不同半径的圆周，在每个圆周上沿周向均匀加工4个不等深孔，布置温度传感器(29)，根据线性插值法得到静环(37)端面不同半径处的温度；金属管浮子流量计(30)布置在泄漏气体收集壳(25)上，用来测量密封工质泄露量；数据采集仪(35)用来接收第一电涡流传感器(27)、第二电涡流传感器(28)、温度传感器(29)以及金属管浮子流量计(30)的数据，并送入计算机(36)中进行显示和记录。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，齿轮箱及相应连接结构(16)中的齿轮箱输出端能够达24000rpm。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，传动系统还包括油泵(22)，用于为轴承箱(21)供油对轴承进行润滑。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，供气系统还包括第一截止阀(2)、第二截止阀(5)和高压精密调节阀(13)，第一截止阀(2)用于控制主气瓶(1)中提供的气体的流量，第二截止阀(5)用于控制备用气瓶(4)中提供的备用气体的流量，高压精密调节阀(13)用于调节流出稳压罐(12)的气体的压力至实验要求压力值。
6.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，供气系统中，当密封气体为化工常见气体时，由第一支路提供密封工质，第二支路作为备用气源；当密封气体为空气时，由第三支路提供压缩空气，同时也可用于冷却高温高压实验结束后的管道。
7.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，高温高压工况下，干气密封(26)的表面上布置有球窝球凸结构。
8.根据权利要求1所述的一种适用于多工况的干气密封实验系统，其特征在于，在泄漏气体收集壳(25)出口处连接有两个气体回收支路；第一气体回收支路布置气体溶解箱(32)，用来回收溶解性强的密封工质，第二气体回收支路布置喷射真空泵(33)进行抽吸，使得泄漏气体回收入储存气瓶(34)中。
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