CN111336113B - 一种高速密封内流体静动态特性测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速密封内流体静动态特性测量系统，包括试验基台、密封腔体、驱动组件及轴承座，密封腔体沿中轴线水平插设有主轴，所述主轴左右两端分别连接有轴承，轴承安装在固定于试验基台上的轴承座内，主轴的其中一端穿过轴承座并与驱动组件连接，主轴在驱动组件的作动下可做旋转运动，密封腔体还连接有对中机构以调整主轴与密封腔体间的中心线处于同一直线上，在所述密封腔体上还设有传感器组件以测量密封腔体的静动态特性。通过驱动组件带动主轴高速旋转，并对进水口内通入高压流体来模拟离心泵的螺旋密封套的工作场景，并通过传感器组件测量得出此时的螺旋密封套的静动态特性，解决螺旋密封理论与实际无法结合的问题。

Description

一种高速密封内流体静动态特性测量系统

技术领域

本发明属于离心泵模拟测量系统技术领域，尤其涉及一种高速密封内流体静动态特性测量系统。

背景技术

离心泵内部的密封间隙内高速环流流体激励易诱发转子流激振动现象，引起离心泵内转子振动的增大，螺旋密封套是控制离心泵泄漏的关键部件，其对于离心的效率及转子振动具有重要意义，泄漏量过大甚至能严重影响离心泵的运行，导致重大的事故。此外，离心泵工作时，在径向激励的作用下，如不平衡激励，高速自转的转子存在径向涡动运动，搅动间隙内高速环流流体产生流体激励力，往往对转子的动力学特性产生显著的影响。目前，螺旋密封的理论研究还无法完全满足工程中的要求，这是螺旋密封在应用中遇到的最大的难题，而且，装置中各参数的数值确实没有一个现成的手册可以查询。所以，建立的密封能力公式能否更贴切螺旋密封实际工作状态是现在设计的关键。没有用于离心泵内螺旋密封静动态特性实验平台，以至于泵内多种螺旋密封的工况无法实验测量，是造成理论与工程实际无法结合的主要原因。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种高速密封内流体静动态特性测量系统，能够模拟离心泵高速运行工况，从而可以测量出离心泵内螺旋密封套的静动态特性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种高速密封内流体静动态特性测量系统，包括试验基台、密封腔体、驱动组件及轴承座，所述密封腔体沿中轴线水平插设有主轴，所述主轴左右两端分别连接有轴承，所述轴承安装在固定于试验基台上的轴承座内，主轴的其中一端穿过轴承座并与驱动组件连接，所述主轴在驱动组件的作动下可做旋转运动，所述密封腔体内还设有螺旋密封套，所述螺旋密封套包括转子和与其配合的静子，转子与主轴固定连接，静子与密封腔体固定连接，静子与转子之间具有流体通过的流道，密封腔体上开设有进水口和出水口，进水口和出水口均与流道连通，所述密封腔体还连接有对中机构以调整主轴与密封腔体间的中心线处于同一直线上，在所述密封腔体上还设有传感器组件以测量密封腔体的静动态特性。

这样的，通过设置密封腔体，并在密封腔体中设置主轴和螺旋密封套，试验时，通过驱动组件带动主轴高速旋转，并对进水口内通入高压流体来模拟离心泵的螺旋密封套的工作场景，并通过传感器组件测量得出此时的螺旋密封套的静动态特性，解决螺旋密封理论与实际无法结合的问题，而通过对中机构调整主轴与密封腔体间的对中性，也即调整转子与静子间的对中性，使试验能更加精确稳定的模拟离心泵高速运行工况，提高试验结果的准确性。

作为优化，所述对中机构包括弹性支撑组件，所述弹性支撑组件设有两组，前后对称布置于密封腔体下端两侧，弹性支撑组件包括固定于试验基台上的支撑机架，所述支撑机架斜向上安装有伸缩件，伸缩件的伸缩端顶托密封腔体。

这样的，对中机构包括两组前后对称设置于密封腔体下端两侧的弹性支撑组件，而弹性支撑组件包括支撑机架，支撑机架上斜向上安装伸缩件，两组前后对称的伸缩件的伸缩端顶托住密封腔体，并可以利用伸缩件的伸缩特性调整密封腔体的位置，从而调整密封腔体与主轴间的对中性。

作为优化，所述对中机构还包括对中性检测组件，所述对中性检测组件包括电涡流位移传感器，在密封腔体的左侧端盖和右侧端盖上均设有三个所述的互相呈120°夹角的电涡流位移传感器，电涡流位移传感器的测量端与主轴侧面正对。

这样的，通过设置对中性检测组件可以对密封腔体和主轴进行对中性检测，具体来说，通过设置电涡流传感器来测量其与主轴侧面间的距离变化，从而得出主轴与密封腔体间的位置变化，可以判断主轴与密封腔体间的对中性，而一侧的三个电涡流传感器间互相呈120°夹角，这可以更精确的得出密封腔体相对于主轴间的偏移量，使最后的判断结果更加准确。

作为优化，所述密封腔体与轴承座之间还连接有螺杆螺套调整机构，所述螺杆螺套调整机构包括螺套和两根螺杆，两根螺杆中其中一根固定在密封腔体侧端面，另一根固定在轴承座的侧端面，两根螺杆的旋向相反，并通过螺套连接在一起，在所述密封腔体左侧端面与其相对的轴承座之间以及密封腔体右侧端面与其相对的轴承座之间均连接有三组互相成120°夹角的螺杆螺套调整机构。

这样的，通过在密封腔体左侧端面和右侧端面与轴承座间分别设置三组螺杆螺套调整机构，一是对密封腔体有一个很好的辅助支撑作用，而是可以通过调节螺套的旋转来调节螺杆的左右拉伸，从而调整密封腔体的轴向位移，并与弹性支撑组件配合调整密封腔体与主轴间的对中性。

作为优化，所述驱动组件包括电机基座、电机和减速器，所述电机基座固定在试验基台上，电机和减速器安装在电机基座上，且电机的输出轴通过减速器与主轴连接，电机的输出动力通过减速器传递给主轴以带动主轴做高速旋转运动。

这样的，驱动组件包括电机和减速器，电机和减速器通过电机基座安装在试验基台上，可以通过电机的运转带动主轴的高速旋转，达到所需要的试验条件。

作为优化，所述支撑机架上还设有激振器，所述激振器的激励端斜向下与密封腔体上端面相接。

这样的，通过设置激振器，对密封腔体施加多频率谐波激励，模拟离心泵所收到的径向激励，用于间隙流体动力学系数的辨识。

作为优化，所述伸缩件为波纹管气动控制装置，包括通过电气比例阀控制波纹管内气体压力的波纹管，通过控制波纹管的伸缩从而达到调节密封腔体与主轴的对中性，波纹管下端的波纹管端盖通过螺栓与水平面成45°角安装在支撑机架上，波纹管的上端顶托密封腔体。

这样的，伸缩件为波纹管气动控制装置，通过利用波纹管的弹性伸缩特性，能够对密封腔体起到一个很好的位置调节作用，而作为成熟的伸缩调节装置，波纹管气动控制方便操作人员控制，能够节省系统的开发成本，并且具有不错的调节作用。

作为优化，所述传感器组件包括固定安装在密封腔体上的用于测量密封腔体的振动特性的三轴加速度传感器、用于测量径向和轴向流体定常激励的静载力传感器以及用于测量径向和轴向动态激励力，所述动载力传感器包括下端动载力传感器和上端动载力传感器，静载力传感器和下端动载力传感器依次安装在波纹管上端，且下端动载力传感器通过螺柱与密封腔体中间部位相连，上端动载力传感器安装在激振器激励端的末端，并通过螺柱连接在密封腔体中间部位。

附图说明

图1是本发明实施例的立体图；

图2是本发明实施例中密封腔体与轴承座的连接图；

图3是本发明实施例中弹性支撑组件与密封腔体的连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：参见图1至图3，一种高速密封内流体静动态特性测量系统，包括试验基台1、密封腔体2、驱动组件及轴承座3，所述密封腔体2沿中轴线水平插设有主轴4，所述主轴3左右两端分别连接有轴承28，所述轴承安装在固定于试验基台上的轴承座3内，主轴的其中一端穿过轴承座并与驱动组件连接，所述主轴在驱动组件的作动下可做旋转运动，所述密封腔体内还设有螺旋密封套，所述螺旋密封套包括转子和与其配合的静子，转子与主轴固定连接，静子与密封腔体固定连接，静子与转子之间具有流体通过的流道，密封腔体上开设有进水口和出水口，进水口和出水口并均与流道连通，所述密封腔体还连接有对中机构以调整主轴与密封腔体间的中心线处于同一直线上，在所述密封腔体上还设有传感器组件以测量密封腔体的静动态特性。

这样的，通过设置密封腔体，并在密封腔体中设置主轴和螺旋密封套，试验时，通过驱动组件带动主轴高速旋转，并对进水口内通入高压流体来模拟离心泵的螺旋密封套的工作场景，并通过传感器组件测量得出此时的螺旋密封套的静动态特性，解决螺旋密封理论与实际结合无法结合的问题，而通过对中机构调整主轴与密封腔体间的对中性，也即调整转子与静子间的对中性，使试验能更加精确稳定的模拟离心泵高速运行工况，提高试验结果的准确性。

实施时，所述对中机构包括弹性支撑组件，所述弹性支撑组件设有两组，前后对称布置于密封腔体下端两侧，弹性支撑组件包括固定于试验基台上的支撑机架6，所述支撑机架斜向上安装有伸缩件，伸缩件的伸缩端顶托密封腔体。

这样的，对中机构包括两组前后对称设置于密封腔体下端两侧的弹性支撑组件，而弹性支撑组件包括支撑机架，支撑机架上斜向上安装伸缩件，两组前后对称的伸缩件的伸缩端顶托住密封腔体，并可以利用伸缩件的伸缩特性调整密封腔体的位置，从而调整密封腔体与主轴间的对中性。

实施时，所述对中机构还包括对中性检测组件，所述对中性检测组件包括电涡流位移传感器8，在密封腔体的左侧端盖和右侧端盖上均设有三个所述的互相呈120°夹角的电涡流位移传感器，电涡流位移传感器的测量端与主轴侧面正对。

这样的，通过设置对中性检测组件可以对密封腔体和主轴进行对中性检测，具体来说，通过设置电涡流传感器来测量其与主轴侧面间的距离变化，从而得出主轴与密封腔体间的位置变化，可以判断主轴与密封腔体间的对中性，而一侧的三个电涡流传感器间互相呈120°夹角，这可以更精确的得出密封腔体相对于主轴间的偏移量，使最后的判断结果更加准确。

实施时，所述密封腔体与轴承座之间还连接有螺杆螺套调整机构，所述螺杆螺套调整机构包括螺套9和两根螺杆10，两根螺杆10中其中一根固定在密封腔体侧端面，另一根固定在轴承座的侧端面，两根螺杆的旋向相反，并通过螺套9连接在一起，在所述密封腔体左侧端面与其相对的轴承座之间以及密封腔体右侧端面与其相对的轴承座之间均连接有三组互相成120°夹角的螺杆螺套调整机构。

这样的，通过在密封腔体左侧端面和右侧端面与轴承座间分别设置三组螺杆螺套调整机构，一是对密封腔体有一个很好的辅助支撑作用，二是可以通过调节螺套的旋转来调节螺杆的左右拉伸，从而调整密封腔体的轴向位移，并与弹性支撑组件配合调整密封腔体与主轴间的对中性。

实施时，所述驱动组件包括电机基座11、电机12和减速器13，所述电机基座固定在试验基台1上，电机和减速器安装在电机基座上，且电机的输出轴通过减速器与主轴连接，电机的输出动力通过减速器传递给主轴以带动主轴做高速旋转运动。

这样的，驱动组件包括电机和减速器，电机和减速器通过电机基座安装在试验基台上，可以通过电机的运转带动主轴的高速旋转，达到所需要的试验条件。

实施时，所述支撑机架上还设有激振器14，所述激振器14的激励端斜向下与密封腔体上端面相接。

这样的，通过设置激振器，对密封腔体施加多频率谐波激励，用于间隙流体动力学系数的辨识。

实施时，所述轴承座包括轴承座内端盖16、轴承座上部17、轴承定位销18、轴承座外端盖19及轴承座下部20，所述轴承28为剖分式静压滑动轴承，主轴左右两端分别安装在剖分式静压滑动轴承上，剖分式静压滑动轴承安装在轴承座上部和轴承座下部的中间，通过轴承定位销进行轴向定位，轴承座上部和轴承轴下部间通过螺钉紧固，主轴上位于剖分式静压滑动轴承外侧还安装有推力球轴承21，推力球轴承的外端还设有用于检测主轴轴向力的轴向力传感器22，其通过轴承座外端盖的定位和预紧使其紧靠推力球轴承外端外环，轴承座内端盖和轴承座外端盖分别通过螺栓固定在轴承座上部和轴承座下部上，润滑油由轴承座上部的两个注油孔注入，对轴承进行润滑后由轴承座下部的出油口流出。

实施时，所述伸缩件为波纹管气动控制装置，包括通过电气比例阀控制波纹管内气体压力的波纹管23，通过控制波纹管的伸缩从而达到调节密封腔体与主轴的对中性，波纹管下端的波纹管端盖24通过螺栓与水平面成45°角安装在支撑机架上，波纹管的上端顶托密封腔体。

这样的，伸缩件为波纹管气动控制装置，通过利用波纹管的弹性伸缩特性，能够对密封腔体起到一个很好的位置调节作用，而作为成熟的伸缩调节装置，波纹管气动控制方便操作人员控制，能够节省系统的开发成本，并且具有不错的调节作用。

实施时，所述传感器组件包括固定安装在密封腔体上的用于测量密封腔体的振动特性的三轴加速度传感器15、用于测量径向和轴向流体定常激励的静载力传感器25以及用于测量径向和轴向动态激励力的动载力传感器，所述动载力传感器包括下端动载力传感器26和上端动载力传感器27，静载力传感器和下端动载力传感器依次安装在波纹管上端，且下端动载力传感器通过螺柱与密封腔体中间部位相连，上端动载力传感器安装在激振器激励端的末端，并通过螺柱连接在密封腔体中间部位，激振器通过销钉与激振器安装座29相连，激振器安装座通过螺栓固定在支撑机架的上部，在出水口处还可设置温度传感器，从而可测得流体通过螺旋密封套后的内部温度，也可在出水口处设置流量传感器测得螺旋密封套的泄漏量以判断其密封性。

实施时，密封腔体由左侧腔体、右侧腔体和中间腔体组成，所述左侧腔体和右侧腔体结构相同且对称安装于中间腔体的左右两端，所述转子包括左转子和右转子，所述静子包括左静子和右静子，左转子和左静子夹设于主轴与左侧腔体间，右转子和右静子夹设于主轴和右侧腔体间，左转子和右转子均与主轴固定连接，左静子和右静子分别与左侧腔体和右侧腔体固定连接，所述流道包括左流道和右流道，左流道位于左转子与左静子之间，右流道位于右转子与右静子之间，所述进水口开设在中间腔体上并与左流道和右流道连通，所述出水口包括左出水口和右出水口，左出水口和右出水口分别开设在左侧腔体和右侧腔体远离中间腔体的一端并分别与左流道和右流道连通，由于实验条件限制，如果不设置成左右对称的话，冲入高压流体时，密封腔体受到的轴向载荷非常大，受到比较大的单向力，在好几十兆帕的高压下，装置无法承受，通过采用这种对称式的布置，从中间腔体入水，从左、右腔体出水的方式可以避免受到较大的轴向载荷，保护密封腔体。

所述左侧腔体与右侧腔体靠近中间腔体的一端分别设有左凸缘和右凸缘，左凸缘、右凸缘以及中间腔体的端面上通过多组均匀分布的螺栓紧固件固定连接在一起，通过螺栓紧固件将左凸缘、中间腔体和右凸缘连接起来，也即通过螺栓紧固件将左侧腔体、中间腔体和右侧腔体组合起来形成了一个整个的密封腔体，方便拆卸和安装主轴及螺旋密封套。

Claims (6)

1.一种高速密封内流体静动态特性测量系统，包括试验基台，特征在于：包括密封腔体、驱动组件及轴承座，所述密封腔体沿中轴线水平插设有主轴，所述主轴左右两端分别连接有轴承，所述轴承安装在固定于试验基台上的轴承座内，主轴的其中一端穿过轴承座并与驱动组件连接，所述主轴在驱动组件的作动下可做旋转运动，所述密封腔体内还设有螺旋密封套，所述螺旋密封套包括转子和与其配合的静子，转子与主轴固定连接，静子与密封腔体固定连接，静子与转子之间具有流体通过的流道，密封腔体上开设有进水口和出水口，进水口和出水口均与流道连通，所述密封腔体还连接有对中机构以调整主轴与密封腔体间的中心线处于同一直线上，在所述密封腔体上还设有传感器组件以测量密封腔体的静动态特性；

所述对中机构包括弹性支撑组件，所述弹性支撑组件设有两组，前后对称布置于密封腔体下端两侧，弹性支撑组件包括固定于试验基台上的支撑机架，所述支撑机架斜向上安装有伸缩件，伸缩件的伸缩端顶托密封腔体；

所述对中机构还包括对中性检测组件，所述对中性检测组件包括电涡流位移传感器，在密封腔体的左侧端盖和右侧端盖上均设有三个互相呈120°夹角的所述电涡流位移传感器，电涡流位移传感器的测量端与主轴侧面正对。

2.根据权利要求1所述的一种高速密封内流体静动态特性测量系统，其特征在于：所述密封腔体与轴承座之间还连接有螺杆螺套调整机构，所述螺杆螺套调整机构包括螺套和两根螺杆，两根螺杆中其中一根固定在密封腔体侧端面，另一根固定在轴承座的侧端面，两根螺杆的旋向相反，并通过螺套连接在一起，在所述密封腔体左侧端面与其相对的轴承座之间以及密封腔体右侧端面与其相对的轴承座之间均连接有三组互相成120°夹角的螺杆螺套调整机构。

3.根据权利要求1所述的一种高速密封内流体静动态特性测量系统，其特征在于：所述驱动组件包括电机基座、电机和减速器，所述电机基座固定在试验基台上，电机和减速器安装在电机基座上，且电机的输出轴通过减速器与主轴连接，电机的输出动力通过减速器传递给主轴以带动主轴做高速旋转运动。

4.根据权利要求1所述的一种高速密封内流体静动态特性测量系统，其特征在于：所述支撑机架上还设有激振器，所述激振器的激励端斜向下与密封腔体上端面相接。

5.根据权利要求4所述的一种高速密封内流体静动态特性测量系统，其特征在于：所述伸缩件为波纹管气动控制装置，包括通过电气比例阀控制波纹管内气体压力的波纹管，通过控制波纹管的伸缩从而达到调节密封腔体与主轴的对中性，波纹管下端的波纹管端盖通过螺栓与水平面成45°角安装在支撑机架上，波纹管的上端顶托密封腔体。

6.根据权利要求5所述的一种高速密封内流体静动态特性测量系统，其特征在于：所述传感器组件包括固定安装在密封腔体上的用于测量密封腔体的振动特性的三轴加速度传感器、用于测量径向和轴向流体定常激励的静载力传感器以及用于测量径向和轴向动态激励力的动载力传感器，所述动载力传感器包括下端动载力传感器和上端动载力传感器，静载力传感器和下端动载力传感器依次安装在波纹管上端，且下端动载力传感器通过螺柱与密封腔体中间部位相连，上端动载力传感器安装在激振器激励端的末端，并通过螺柱连接在密封腔体中间部位。

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