CN107702868A - 一种功能多样的刷式密封性能实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种功能多样的刷式密封性能实验装置，包括空气压缩机、储气罐、大量程涡街流量计、小量程涡街流量计、刷式密封实验装置、压力传感器、数据采集仪、稳压电源、高清观测摄像仪、灯光调节器和电脑，其中，刷式密封实验装置上设置有进气口和出气口，出气口内配合安装刷式密封试验件，空气压缩机、储气罐、大量程涡街流量计和刷式密封实验装置依次通过管路连接，大量程涡街流量计与刷式密封实验装置之间的管路分出一气体支路，小量程涡街流量计设置于所述气体支路上。该功能多样的刷式密封性能实验装置能够有效地观测并记录刷式密封试验件的刷丝在非定常气动力作用下的动态运动变形及泄漏流动特性，为新型刷式密封结构的设计提供实验支撑。

Description

一种功能多样的刷式密封性能实验装置
技术领域
本发明涉及密封技术和实验器械领域，特别提供了一种功能多样的刷式密封性能实验装置。
背景技术
刷式密封由通用电气在五十年代首次提出，作为一种新型高性能的动密封装置，逐渐受到国内外研究人员的重视，其泄漏量仅是传统的梳齿迷宫密封的1/5～1/10。刷丝的柔性特性，允许动静部件之间瞬态严重偏心而维持良好的密封性能，这样可以显著提高透平机械的密封效率和可靠性。刷式密封结构的主要组件有：前挡板、刷丝、后挡板。每条刷丝紧密地排列并焊接在前后挡板之间就行成了刷丝束，刷丝束是一组柔度较好的金属丝，需要以一定的角度安装。刷丝束的一端与前后挡板之间的圆环焊接为一体，另一端与涂有耐磨涂层的转子表面相接触。刷式密封的前挡板位于相对高压的一侧，后挡板则位于低压区。这样的安排为刷丝提供了很大的活动空间，同时后挡板的设置可以为刷丝提供支撑。
刷式密封流场特性与密封机理如下：刷丝中刷丝间隙是不均匀的，不均匀性使得均匀的来流进入刷丝束中就变得不均匀，并且从密集的刷丝束区域向疏松的刷丝束区域偏流，这些偏流在刷丝之间逐渐形成同向流和射流，并产生随机的二次流和旋涡流，密封腔内的流场变得非常复杂。当射流遇到前面紧密的刷丝束时，就会改变运动方向而变成和主流方向垂直的横向流，正由于刷丝束破坏流动而确保流动的不均匀性，使流体产生了自密封效应，横向流动有效的促进自密封效应的产生，使横流过刷子的总压降增大从而减少密封的泄漏。
研究表明，刷式密封性能较好，可有效控制泄漏量，显著提高发动机性能，但泄漏量测量困难，密封装置试验件制作成本高，整体制作加工难度大，拆装不便，不便于安装检测装置，重要尺寸加工精度不够，且刷式密封作为柔性接触式密封，在受较高气体压差的作用下，刷丝发生轴向弯曲紧贴后挡板，刷丝与后挡板之间的摩擦力阻碍刷丝及时变形，从而刷丝不能及时跟随转子的升速或者涡动偏心增大等运动状态进行变形，出现刷丝“刚化效应”，引起刷丝和转子跑道的加速磨损，降低刷式密封的密封性能，缩短使用寿命。另外，随着转子降速或者恢复到较小涡动偏心位置时，刷丝与后挡板之间的摩擦力又阻碍刷丝不能立即复原，刷丝出现悬挂，出现刷丝“滞后效应”、“刚化效应”与“滞后效应”会加速刷丝和转子表面的磨损，降低刷式密封的密封性能，增大气体泄漏量，缩短使用寿命。
刷式密封由于其特有的柔性刷丝结构，在非定常气流力作用下的运动变形、甚至颤振，成为影响泄漏量和寿命的主要原因。国外近年来关于刷式密封泄漏特性、摩擦及传热特性论文成果较多，但关于刷式密封实验装置专利研究较少，国内刷式密封试验台主要是针对刷式密封泄漏流动特性、摩擦及传热特性进行实验研究。目前国内外针对刷式密封结构特性及受力运动变形特性实验研究较少，缺乏对刷式密封中柔性刷丝出现的“刚化效应”、“滞后效应”、颤振现象的更进一步深入研究。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种功能多样的刷式密封性能实验装置，可以有效地观测并记录刷式密封试验件的刷丝在非定常气动力作用下的运动变形及泄漏流动，为设计低滞后、低刚化、抑颤振的新型刷式密封结构提供实验支撑。
本发明提供的技术方案是：一种功能多样的刷式密封性能实验装置，包括：空气压缩机、储气罐、大量程涡街流量计、小量程涡街流量计、刷式密封实验装置、压力传感器、数据采集仪、稳压电源、高清观测摄像仪、灯光调节器和电脑，其中，所述刷式密封实验装置上设置有进气口和出气口，所述出气口内配合安装刷式密封试验件，空气压缩机、储气罐、大量程涡街流量计和刷式密封实验装置的进气口依次通过管路连接，所述管路上设置有压力调节阀，大量程涡街流量计和刷式密封实验装置的进气口之间的管路分出一气体支路，小量程涡街流量计设置于所述气体支路上，压力传感器用于检测刷式密封实验装置内的压力，数据采集仪分别与大量程涡街流量计、小量程涡街流量计和压力传感器连接，稳压电源分别与大量程涡街流量计、小量程涡街流量计、压力传感器和数据采集仪连接，高清观测摄像仪设置于刷式密封实验装置的出口上方，用于观测刷式密封试验件产生的动态变形，灯光调节器用于调整观测的灯光，电脑分别与高清观测摄像仪和数据采集仪连接。
优选，所述刷式密封实验装置由下至上依次包括进气腔、盖板和密封间隙调节板，其中，进气口设置于进气腔的底部中心位置，出气口对应设置于盖板和密封间隙调节板的中部，出气口内固定设置有刷式密封试验件安装槽块，刷式密封试验件安装槽块上设置有与刷式密封试验件配合的卡槽，当将刷式密封试验件卡合于卡槽内并固定于出气口内后，由进气口进入进气腔内的气体只能通过刷式密封试验件与出气口之间的密封间隙排出。
进一步优选，所述刷式密封试验件安装槽块上的卡槽有多组，由上到下间隔设置，卡槽、刷式密封试验件和密封间隙调节板一一对应成组，每组实现一道密封。
进一步优选，进气腔的上边沿、盖板和密封间隙调节板之间均设置有O型密封圈，进气腔、盖板和密封间隙调节板通过紧固螺栓实现密封连接。
进一步优选，密封间隙调节板的四周间隔设置有条形螺栓孔，通过旋转密封间隙调节板，可以实现密封间隙的微调。
进一步优选，所述刷式密封实验装置上还设置有用于显示进气腔内压力的压力表，所述压力表的量程为0～1.0MPa，显示分辨率为0.001MPa，测量精度为±1％。
进一步优选，所述大量程涡街流量计的量程为6～60m3/h，带温压补偿功能，可直接读取标况体积流量，显示分辨率为0.001m3/h，测量精度为±1％，最大工作压力为4.0MPa。
进一步优选，所述小量程涡街流量计的量程为4～36m3/h，带温压补偿功能，可直接读取标况体积流量，显示分辨率为0.001m3/h，测量精度为±1％，最大工作压力为4.0MPa。
本发明提供的功能多样的刷式密封性能实验装置中，空气压缩机压缩气体于储气罐中，通过压力调节阀可以控制储气罐输出压比可调的气流，稳压电源为大量程涡街流量计、小量程涡街流量计、压力传感器和数据采集仪提供恒定电压，数据采集仪同时采集大量程涡街流量计、小量程涡街流量计和压力传感器检测的信息并保存，同时，还将上述信息传输至电脑进行存储及显示，高清观测摄像仪在灯光调节器的作用下能够放大刷式密封试验件产生的运动变形，该功能多样的刷式密封性能实验装置可实验研究不同刷式密封试验件的结构参数对刷式密封性能的影响，针对刷式密封试验件特有的柔性刷丝结构，可直观的观测刷式密封试验件产生“刚化效应”、“滞后效应”及颤振现象的具体形式，为刷式密封结构的设计提供理论依据。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明功能多样的刷式密封性能实验装置结构示意图；
图2为刷式密封实验装置的结构示意图；
图3为单道密封结构的刷式密封实验装置的剖面图；
图4为多道密封结构的刷式密封实验装置的剖面图；
图5为密封间隙调节板的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
如图1所示，本发明提供了一种功能多样的刷式密封性能实验装置，包括：空气压缩机1、储气罐2、大量程涡街流量计3、小量程涡街流量计4、刷式密封实验装置5、压力传感器6、数据采集仪7、稳压电源8、高清观测摄像仪9、灯光调节器10和电脑11，其中，所述刷式密封实验装置5上设置有进气口51和出气口52，所述出气口52内配合安装刷式密封试验件12，空气压缩机1、储气罐2、大量程涡街流量计3和刷式密封实验装置5的进气口51依次通过管路连接，所述管路上设置有压力调节阀15，大量程涡街流量计3和刷式密封实验装置5的进气口51之间的管路分出一气体支路，小量程涡街流量计4设置于所述气体支路上，压力传感器6用于检测刷式密封实验装置5内的压力，数据采集仪7分别与大量程涡街流量计3、小量程涡街流量计4和压力传感器6连接，稳压电源8分别与大量程涡街流量计3、小量程涡街流量计4、压力传感器6和数据采集仪7连接，高清观测摄像仪9设置于刷式密封实验装置5的出口上方，用于观测刷式密封试验件12产生的动态变形，灯光调节器10用于调整观测的灯光，电脑11分别与高清观测摄像仪9和数据采集仪7连接。
该功能多样的刷式密封性能实验装置中，空气压缩机压缩气体于储气罐中，通过压力调节阀可以控制储气罐输出压比可调的气流，稳压电源为大量程涡街流量计、小量程涡街流量计、压力传感器和数据采集仪提供恒定电压，数据采集仪同时采集大量程涡街流量计、小量程涡街流量计和压力传感器检测的信息并保存，同时，还将上述信息传输至电脑进行存储及显示，高清观测摄像仪在灯光调节器的作用下能够放大刷式密封试验件产生的运动变形，该功能多样的刷式密封性能实验装置可实验研究不同刷式密封试验件的结构参数对刷式密封性能的影响，针对刷式密封试验件特有的柔性刷丝结构，可直观的观测刷式密封试验件产生“刚化效应”、“滞后效应”及颤振现象的具体形式，为刷式密封结构的设计提供理论依据。
大量程涡街流量计的下游设一气体支路，并装设了小量程涡街流量计，是为了尽可能大的获得量程比和量程范围，具体地：当刷式密封试验件的泄漏水平较高时，可关闭小量程涡街流量计上游的阀门，此时小量程涡街流量计的读数为0，大量程涡街流量计的读数即为对应压差下的泄漏量；当刷式密封试验件的泄漏水平较低，以致大量程涡街流量计的工况体积流量小于量程下限时，必须开启小量程流量计上游的阀门，保证气体支路的流量与刷式密封试验件泄漏量的总和高于大量程涡街流量计的量程下限，此时，大量程涡街流量计的读数减去小量程涡街流量计的读数即为对应压差下的泄漏量。
另外，高清观测摄像仪优选配备15～75倍显微镜镜头，还可增设两倍目镜，500万像素，接入电脑可清晰地观察到刷丝自由端的微小变化，且配备显微标尺，自带测量软件，可较为准确地确定变化量。
作为技术方案的改进，如图2至图4所示，所述刷式密封实验装置5由下至上依次包括进气腔53、盖板54和密封间隙调节板55，其中，进气口51设置于进气腔53的底部中心位置，出气口52对应设置于盖板54和密封间隙调节板55的中部，出气口52内固定设置有刷式密封试验件安装槽块56，刷式密封试验件安装槽块56上设置有与刷式密封试验件12配合的卡槽561，当将刷式密封试验件12卡合于卡槽561内并固定于出气口52内后，由进气口52进入进气腔53内的气体只能通过刷式密封试验件12与出气口52之间的密封间隙排出，具体地：根据实验目的，将刷式密封试验件有选择性地放置于刷式密封试验件安装槽块的卡槽内，刷式密封试验件安装槽块通过螺栓与盖板固定，密封间隙调节板能够对密封间隙进行微调，从而获得不同刷式密封间隙对泄漏流动特性的影响。
作为技术方案的改进，如图2至图4所示，所述刷式密封试验件安装槽块56上的卡槽561有多组，由上到下间隔设置，卡槽561、刷式密封试验件12和密封间隙调节板55一一对应成组，每组实现一道密封，图3为单道密封结构，图4为多道密封结构，其中，可根据不同的实验目的，选择密封的道数，同时，每道密封的密封间隙可单独调整。
为了提高刷式密封实验装置的密封性，作为技术方案的改进，如图2至图4所示，进气腔53的上边沿、盖板54和密封间隙调节板55之间均设置有O型密封圈14，O型密封圈优选设置于密封凹槽内，进气腔53、盖板54和密封间隙调节板55通过紧固螺栓实现密封连接。
为了方便密封间隙调节板的微调，作为技术方案的改进，如图5所示，密封间隙调节板55的四周间隔设置有条形螺栓孔551，通过旋转密封间隙调节板55，可以实现密封间隙的微调。
作为技术方案的改进，如图1所示，所述刷式密封实验装置5上还设置有用于显示进气腔53内压力的压力表13，所述压力表13的量程为0～1.0MPa，显示分辨率为0.001MPa，测量精度为±1％。
作为技术方案的改进，所述大量程涡街流量计3的量程为6～60m3/h，带温压补偿功能，可直接读取标况体积流量，显示分辨率为0.001m3/h，测量精度为±1％，最大工作压力为4.0MPa。
作为技术方案的改进，所述小量程涡街流量计4的量程为4～36m3/h，带温压补偿功能，可直接读取标况体积流量，显示分辨率为0.001m3/h，测量精度为±1％，最大工作压力为4.0MPa。
其中，压力表、大量程涡街流量计和小量程涡街流量计的数值均能就地显示，通过上述三个表计的读数，可以确定不同压差下刷式密封试验件的密封性能，其泄漏量为：大量程涡街流量计的读数减去小量程涡街流量计的读数。
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于，包括：空气压缩机(1)、储气罐(2)、大量程涡街流量计(3)、小量程涡街流量计(4)、刷式密封实验装置(5)、压力传感器(6)、数据采集仪(7)、稳压电源(8)、高清观测摄像仪(9)、灯光调节器(10)和电脑(11)，其中，所述刷式密封实验装置(5)上设置有进气口(51)和出气口(52)，所述出气口(52)内配合安装刷式密封试验件(12)，空气压缩机(1)、储气罐(2)、大量程涡街流量计(3)和刷式密封实验装置(5)的进气口(51)依次通过管路连接，所述管路上设置有压力调节阀(15)，大量程涡街流量计(3)和刷式密封实验装置(5)的进气口(51)之间的管路分出一气体支路，小量程涡街流量计(4)设置于所述气体支路上，压力传感器(6)用于检测刷式密封实验装置(5)内的压力，数据采集仪(7)分别与大量程涡街流量计(3)、小量程涡街流量计(4)和压力传感器(6)连接，稳压电源(8)分别与大量程涡街流量计(3)、小量程涡街流量计(4)、压力传感器(6)和数据采集仪(7)连接，高清观测摄像仪(9)设置于刷式密封实验装置(5)的出口上方，用于观测刷式密封试验件(12)产生的动态变形，灯光调节器(10)用于调整观测的灯光，电脑(11)分别与高清观测摄像仪(9)和数据采集仪(7)连接。
2.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：所述刷式密封实验装置(5)由下至上依次包括进气腔(53)、盖板(54)和密封间隙调节板(55)，其中，进气口(51)设置于进气腔(53)的底部中心位置，出气口(52)对应设置于盖板(54)和密封间隙调节板(55)的中部，出气口(52)内固定设置有刷式密封试验件安装槽块(56)，刷式密封试验件安装槽块(56)上设置有与刷式密封试验件(12)配合的卡槽(561)，当将刷式密封试验件(12)卡合于卡槽(561)内并固定于出气口(52)内后，由进气口(52)进入进气腔(53)内的气体只能通过刷式密封试验件(12)与出气口(52)之间的密封间隙排出。
3.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：所述刷式密封试验件安装槽块(56)上的卡槽(561)有多组，由上到下间隔设置，卡槽(561)、刷式密封试验件(12)和密封间隙调节板(55)一一对应成组，每组实现一道密封。
4.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：进气腔(53)的上边沿、盖板(54)和密封间隙调节板(55)之间均设置有O型密封圈，进气腔(53)、盖板(54)和密封间隙调节板(55)通过紧固螺栓实现密封连接。
5.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：密封间隙调节板(55)的四周间隔设置有条形螺栓孔(551)，通过旋转密封间隙调节板(55)，可以实现密封间隙的微调。
6.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：所述刷式密封实验装置(5)上还设置有用于显示进气腔(53)内压力的压力表(13)，所述压力表(13)的量程为0～1.0MPa，显示分辨率为0.001MPa，测量精度为±1％。
7.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：所述大量程涡街流量计(3)的量程为6～60m3/h，带温压补偿功能，可直接读取标况体积流量，显示分辨率为0.001m3/h，测量精度为±1％，最大工作压力为4.0MPa。
8.按照权利要求1所述的功能多样的刷式密封性能实验装置，其特征在于：所述小量程涡街流量计(4)的量程为4～36m3/h，带温压补偿功能，可直接读取标况体积流量，显示分辨率为0.001m3/h，测量精度为±1％，最大工作压力为4.0MPa。
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