CN112798200A - 一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法及装置，涉及密封泄漏测量技术领域；通过测量泄漏气体收集腔的一定时间内的压力变化间接测量石墨端面密封结构的泄漏气体质量流量；采用气压调节系统为工况憋压腔直接提供符合设置工况的气体，可将高压工况腔的气体压力与气压调节系统提供的气体压力视为完全相同；在两次气压采集间隔内，根据压差传感器实时测得的高压工况腔与低压憋压腔之间的气体压差，通过控制程序，将指令反馈给气压调节系统，让其自动同步提升供给高压工况腔的气体压力，使得两腔之间的气体压差在很小波动的情况下保持稳定。

Description

一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法及装置

技术领域

本发明涉及密封结构技术领域，特别是涉及一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法及装置。

背景技术

现代航空涡轮燃气发动机正朝着高推重比，高燃油效率的方向不断发展。通过改进优化密封装置来减少涡轮燃气发动机内的气体流量损失正是在此大背景的一个重要研究方向。密封装置作为航空发动机机械动力系统的重要组成部分，通常设置在发动机的压气机、涡轮等气体流经的关键部位处，从而保证气体按设计流道流动，有助于提高发动机压气机的增压比和涡轮的做功效率。性能优秀的密封装置对于发动机的整体性能也会有显著提升。

石墨密封环由于材料本身具有耐高温、自润滑、低摩擦系、耐磨损、耐化学介质腐蚀性和高导热等优秀特性，能够在高温、高压、高速的工况下、稳定可靠的工作。故作为一种常用的密封装置，在多种型号的航空发动机中均有应用。

但不管石墨密封环的材料特性如何优异，因为工艺原因，即使是石墨端面密封，石墨静环工作面和对应的动环的表面都不是绝对光滑，存在一定程度的凹凸不平。虽然在弹簧预紧压力的作用下，石墨静环工作接触面与对应的动环的跑道面会发生互相作用，形变贴合。但即使在动环静止且施加很大预紧压力的情况下，单靠机械结构，经缓和动环接触的环形密封面也无法达到完全贴合，仍会留有泄漏通道。更何况在转子高速转动带动动环与石墨静环产生剧烈的相对运动的条件下，摩擦生热、轴跳动、材料等动态因素更加剧了泄漏通道的规模。综上，密封装置无法做到绝对的不泄漏，因此，监控与测量泄漏量，使其不超过允许范围就显得异常关键。

介于石墨端面密封装置客观存在气体泄漏但泄漏量很小的情况，目前单纯通过测量流量来获得其泄漏流量的传感器很难满足测量精度，就需要一种新的测量方式。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法及装置，通过压力换算成流量的方式，测量石墨端面密封装置的泄漏气体质量流量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法，向石墨密封端面一侧施加高压气体，通过测量石墨密封端面另一侧的密闭空间中压力的变化，将压力换算成石墨密封端面的泄漏气体质量流量。

本发明还提供一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，包括主轴、密封壳体、动环、静环、陪试件和压力传感器；所述静环设置于所述密封壳体内，所述动环和所述陪试件均套设与所述主轴上，且所述动环的外端面与所述静环的端面相接触，所述陪试件在所述主轴与所述密封壳体之间形成密封；所述陪试件与所述静环以及所述主轴与所述密封壳体的内壁之间形成高压工况腔，所述高压工况腔设置有一高压气体进气口；所述静环、所述主轴的端部与所述密封壳体的内壁之间形成低压憋压腔；所述压力传感器设置于所述密封壳体的端壁上并与所述低压憋压腔相连通。

可选的，所述密封壳体包括引气匣、憋压端盖和装配压环；所述引气匣为壳体型机构，所述引气匣内部设置有圆柱形空腔，所述引气匣的两端均为敞口，所述高压气体进气口设置于所述引气匣的侧壁上；所述憋压端盖设置于所述引气匣一端，所述压力传感器设置于所述憋压端盖上；所述装配压环设置于所述引气匣另一端，所述陪试件位于所述装配压环与所述引气匣之间；所述主轴贯穿所述装配压环后伸入所述引气匣。

可选的，所述憋压端盖上设置有压差传感器低压导引管。

可选的，所述憋压端盖上设置有自动排气阀。

可选的，所述憋压端盖与所述引气匣之间设置有静环密封圈。

可选的，所述高压气体进气口上设置有压差传感器高压导引管。

可选的，所述主轴上位于所述动环靠近所述陪试件的一侧还设置有弹簧套管。

可选的，所述弹簧套管包括弹簧、弹簧压板和弹簧座；所述主轴上设置有一限位部，所述弹簧座套设于所述主轴上且所述弹簧座一端与所述限位部限位连接，所述弹簧设置于所述弹簧座内，所述弹簧压板设置于所述弹簧与所述动环之间。

可选的，所述主轴与所述动环之间设置有动环密封圈。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法及装置，通过测量泄漏气体收集腔的一定时间内的压力变化间接测量石墨端面密封结构的泄漏气体质量流量；采用气压调节系统为工况憋压腔直接提供符合设置工况的气体，可将高压工况腔的气体压力与气压调节系统提供的气体压力视为完全相同；在两次气压采集间隔内，根据压差传感器实时测得的高压工况腔与低压憋压腔之间的气体压差，通过控制程序，将指令反馈给气压调节系统，让其自动同步提升供给高压工况腔的气体压力，使得两腔之间的气体压差在很小波动的情况下保持稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置的剖视结构示意图；

图2为本发明微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置的立体结构示意图；

图3为本发明微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置的立体剖视结构示意图；

图4为本发明微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置的工作原理示意图。

附图标记说明：1、引气匣；2、主轴；3、憋压端盖；4、陪试件；5、装配压环；6、弹簧套管；7、动环密封圈；8、动环；9、静环；10、静环密封圈；11、第一螺钉组件；12、第二螺钉组件；13、自动排气阀；14、压力传感器；15、压差传感器高压导引管；16压差传感器低压导引管；

001、高压工况腔；002、低压憋压腔；003、弹簧压板；004、弹簧；005、弹簧座；006、高压气体进气口；007、进气管安装台面；008、装配法兰盘；009、肋板；010、传感器安装台面；011、主轴的驱动端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据理想气体方程PV＝nRT。其中，摩尔气体常数视为定值，在保证体积V和温度T不变的情况下(定温定容)，P∝n即气体的压力会与气体物质的量成正比。而因为物质的量与质量流量之间的关系

通过设定质量流量的平均值

可进一步得到公式1：

根据该公式可由在定温定容条件下，规定时间内石墨端面密封装置泄漏气体的压力反推出在这段时间内石墨端面密封装置泄漏气体质量流量的平均值，从而实现用不算特别灵敏的普通压力传感器测量石墨端面密封装置非常细微气体泄漏的目的。

而要实现上述物理学公式，本发明的装置系统需要先提供的实验条件分别为：定容、定温。定容条件的体现在装置内的低压憋压腔，在静环与动环构成的环形密封面的出口处，由憋压端盖、引气匣、静环端面和侧面、动环的侧面和主轴端面围成的一个近似柱状的腔室。其中憋压端盖与引气匣、石墨静环之间通过静环密封圈形成静密封；动环与主轴之间通过动环密封圈实现相对静密封；静环与动环之间为动密封。虽然主轴在实验中处于旋转状态，但是其轴向运动可以忽略不及，可认为不会改变低压憋压腔的体积大小。以上可得低压憋压腔的内部体积是一个定值，满足定容条件；虽然在主轴开始转动的初期，受石墨静环与动环的环形密封面剧烈摩擦的影响，环形密封面及其周边温度会有相当明显的上升，但随着主轴保持转速转动一段时间后，摩擦的生热与结构的散热达到平衡，温度会维持在一个很小的波动区间，即在静环端面密封装置稳定工作后，其本身以及出口处的低压憋压腔内的气体温度可以视为定值，从而满足了定温要求。

在静环端面密封装置稳定工作(低压憋压腔的温度稳定在预料范围内)的时刻，通过压力传感器采集一次低压憋压腔内的气体压力，在经过设定时间后，再采集一次气体压力信号，由此就得到了一个时间段开始和结束两个时间点的压力差值，将其与时间差值一同代入公式，就可到在定容定温条件下，该时间段内的石墨端面密封环泄漏气体质量流量的平均值。

静环端面密封环装置中环形密封面进出口两侧的气体压差，对于石墨密封的泄漏情况会有直接的影响，故为了增加在不同压力工况下静环端面密封泄漏情况的横向可比性，本发明的测量装置还引入了压差控制系统、其核心设备为压差传感器。要控制静环端面密封环进出口两侧的压差，在本发明中就等价于控制高压工况腔与低压憋压腔之间的压差。低压憋压腔的气体压差采集设置在憋压端盖的中心位置，紧挨着低压憋压腔的气体压力采集点，提高采集数据的稳定性和准确性。由于本发明采用气压调节装置为工况憋压腔直接提供符合设置工况的气体，因此可将高压工况腔的气体压力与气压调节系统提供的气体压力视为完全相同，故高压工况腔的压差采集点就设在其气体进口处，不再在引气匣上开孔设点。而压差控制系统要达到的控制效果，既是使两腔压差在两次低压憋压腔压力采集间隔内尽可能保持不变。具体实现方式为：在两次气压采集间隔内，根据压差传感器实时测得的高压工况腔与低压憋压腔之间的气体压差，通过控制程序，将指令反馈给气压调节系统，让其自动同步提升供给高压工况腔的气体压力，使得两腔之间的气体压差在很小波动的情况下保持稳定。

下面结合具体实施例对本发明中的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置进行更进一步的说明。

实施例一：

一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法，向石墨密封端面一侧施加高压气体，通过测量石墨密封端面另一侧的密闭空间中压力的变化，将压力换算成石墨密封端面的泄漏气体质量流量。

实施例二：

如1至4图所示，本实施例提供一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，包括主轴2、密封壳体、动环8、静环9、陪试件4和压力传感器14；所述静环9设置于所述密封壳体内，所述动环8和所述陪试件4均套设与所述主轴2上，且所述动环8的外端面与所述静环9的端面相接触，所述陪试件4在所述主轴2与所述密封壳体之间形成密封；所述陪试件4与所述静环9以及所述主轴2与所述密封壳体的内壁之间形成高压工况腔001，所述高压工况腔001设置有一高压气体进气口006；所述静环9、所述主轴2的端部与所述密封壳体的内壁之间形成低压憋压腔002；所述压力传感器14设置于所述密封壳体的端壁上并与所述低压憋压腔002相连通。

于本具体实施例中，所述密封壳体包括引气匣1、憋压端盖3和装配压环5；所述引气匣1为壳体型机构，所述引气匣1内部设置有圆柱形空腔，所述引气匣1的两端均为敞口，且引气匣1的两端敞口处均为阶梯孔；所述高压气体进气口006设置于所述引气匣1的侧壁上；所述憋压端盖3通过第二螺钉组件12设置于所述引气匣1一端，所述憋压端盖3与所述引气匣1之间设置有静环密封圈10，以保证低压憋压腔002的密封性；所述压力传感器14设置于所述憋压端盖3上，用于感应低压憋压腔002内的压力；所述装配压环5通过第一螺钉组件11设置于所述引气匣1另一端，所述陪试件4位于所述装配压环5与所述引气匣1之间，通过装配压环5和陪试件4密封主轴2与引气匣1之间的间隙，陪试件4为石墨密封环；所述主轴2贯穿所述装配压环5后伸入所述引气匣1；所述憋压端盖3上设置有压差传感器低压导引管16和自动排气阀13。所述高压气体进气口006上设置有压差传感器高压导引管15。

为了进一步提高低压憋压区与高压工况腔001之间的密封性，所述主轴2与所述动环8之间设置有动环密封圈7。

所述主轴2上位于所述动环8靠近所述陪试件4的一侧还设置有弹簧套管6。所述弹簧套管6包括弹簧004、弹簧压板003和弹簧座005；所述主轴2上设置有一限位部，所述弹簧座005套设于所述主轴2上且所述弹簧座005一端与所述限位部限位连接，所述弹簧004设置于所述弹簧座005内，所述弹簧压板003设置于所述弹簧004与所述动环8之间。限位部为主轴2上的环形凸起，弹簧座005一端接触限位部，在弹簧004的压力下，弹簧座005和弹簧压板003分别压紧限位部和动环密封圈7，使动环8和静环9紧密压紧，保证动环8和静环9之间的动密封面具有良好的密封性。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量方法，其特征在于，向石墨密封端面一侧施加高压气体，通过测量石墨密封端面另一侧的密闭空间中压力的变化，将压力换算成石墨密封端面的泄漏气体质量流量。

2.一种微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，包括主轴、密封壳体、动环、静环、陪试件和压力传感器；所述静环设置于所述密封壳体内，所述动环和所述陪试件均套设与所述主轴上，且所述动环的外端面与所述静环的端面相接触，所述陪试件在所述主轴与所述密封壳体之间形成密封；所述陪试件与所述静环以及所述主轴与所述密封壳体的内壁之间形成高压工况腔，所述高压工况腔设置有一高压气体进气口；所述静环、所述主轴的端部与所述密封壳体的内壁之间形成低压憋压腔；所述压力传感器设置于所述密封壳体的端壁上并与所述低压憋压腔相连通。

3.根据权利要求1所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述密封壳体包括引气匣、憋压端盖和装配压环；所述引气匣为壳体型机构，所述引气匣内部设置有圆柱形空腔，所述引气匣的两端均为敞口，所述高压气体进气口设置于所述引气匣的侧壁上；所述憋压端盖设置于所述引气匣一端，所述压力传感器设置于所述憋压端盖上；所述装配压环设置于所述引气匣另一端，所述陪试件位于所述装配压环与所述引气匣之间；所述主轴贯穿所述装配压环后伸入所述引气匣。

4.根据权利要求3所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述憋压端盖上设置有压差传感器低压导引管。

5.根据权利要求3所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述憋压端盖上设置有自动排气阀。

6.根据权利要求3所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述憋压端盖与所述引气匣之间设置有静环密封圈。

7.根据权利要求1所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述高压气体进气口上设置有压差传感器高压导引管。

8.根据权利要求1所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述主轴上位于所述动环靠近所述陪试件的一侧还设置有弹簧套管。

9.根据权利要求8所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述弹簧套管包括弹簧、弹簧压板和弹簧座；所述主轴上设置有一限位部，所述弹簧座套设于所述主轴上且所述弹簧座一端与所述限位部限位连接，所述弹簧设置于所述弹簧座内，所述弹簧压板设置于所述弹簧与所述动环之间。

10.根据权利要求1所述的微小泄漏的石墨密封泄漏测量装置，其特征在于，所述主轴与所述动环之间设置有动环密封圈。

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