CN113252297B - 一种轴向可调式迷宫密封实验的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，本测试装置包括供压系统和轴向迷宫密封测试结构，供压系统的压缩机连通静压腔，压缩机与静压腔连通的管路上设置有控制阀，静压腔与轴向迷宫密封测试结构连通。本发明解决现有轴向迷宫密封理论及设计手段与实际情况存在差异的问题，本发明通过搭建迷宫密封测试装置试验台，以及更换实验测试块，验证不同结构参数下轴向迷宫的密封性能。

Description

一种轴向可调式迷宫密封实验的测试装置
技术领域
本发明属于测试装置技术领域，具体涉及一种轴向可调式迷宫密封实验测试装置。
背景技术
迷宫密封具有结构简单、无摩擦、无需润滑、使用寿命长等众多优点。迷宫密封由若干个依次排列的环状密封齿组成，内外圈间形成一系列节流间隙与膨胀空腔，流体通过迷宫密封通道时，经多次膨胀、压缩而产生能量损耗，从而达到密封效果。
迷宫密封在旋转式密封中得到广泛应用，迷宫密封不受旋转速度和温度的限制，摩擦功耗极小，增加篦齿数目可密封较高压力的气体，多用于透平压缩机和燃气轮机等主轴的密封，也常用于滚动轴承中。迷宫密封用于轴向密封的研究成果较少，其中主要应用之一为用于往复式压缩机的活塞与气缸间密封。往复式压缩机通常采用活塞环进行密封，采用活塞环进行密封，不可避免的会将润滑油与压缩气体一起被送出，然而气缸内需要足够的润滑来保证其使用寿命，两者互为掣肘。此外，LNG(liquefied natural gas即液化天然气)压缩机工作温度达-162℃至-125℃，活塞环无法保证低温下的密封效果，此时迷宫密封的优势得以发挥。
由于轴向迷宫密封的密封机理及结构参数设计的研究相对甚少，以往轴向迷宫密封设计时多借鉴旋转迷宫密封的研究成果。对于旋转和轴向往复方向的密封，其内部流体变化形式存在较大区别，通过模拟和实验进行测试，对于密封性能验证和迷宫密封参数优化设计是十分重要的。
现有轴向迷宫密封的研究成果较少，一般为通过数值仿真的方式模拟迷宫密封内部流场的运动形式和泄漏量，以此作为迷宫密封设计及齿形优化的依据。针对迷宫密封的模拟仿真多以CFD是（Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)为主，基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。其模拟过程中与实际情况的符合度急需得到验证。
发明内容
发明目的：本发明的目的就在于解决现有轴向迷宫密封理论及设计手段与实际情况存在差异的问题，提出一种轴向可调式迷宫密封实验测试装置及测试方法，该测试方法通过搭建迷宫密封测试装置试验台，以及更换实验测试块，验证不同结构参数下轴向迷宫的密封性能。
技术方案：
一种轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，本测试装置包括供压系统和轴向迷宫密封测试结构，供压系统的压缩机连通静压腔，压缩机与静压腔连通的管路上设置有控制阀，静压腔与轴向迷宫密封测试结构连通；
轴向迷宫密封测试结构的气缸内设置有活塞，活塞的左右两侧分别固定连接有活塞顶板和活塞挡板，活塞顶板与气缸内壁形成稳压腔，稳压腔与静压腔连通，活塞挡板固定于气缸盖上，气缸盖上设置有出口气阀，气缸盖与气缸固定连接形成封闭空间，沿活塞圆周上设置有活塞迷宫密封测试块；气缸内壁上与活塞迷宫密封测试块相对处设置有气缸迷宫齿，气缸迷宫齿与活塞迷宫密封测试块之间形成实验测试段。
本测试装置包括测量系统，测量系统包括压差式流量计、振动传感器和压力传感器，压差式流量计设置在静压腔与气缸连通的管路上，振动传感器设置在气缸外侧，压力传感器设置在出口气阀处；压差式流量计、振动传感器和压力传感器均连接至计算机。
活塞迷宫密封测试块为16块扇形测试块呈圆周排布，16块扇形测试块均与活塞连接，扇形测试块为截面呈扇形的块状结构，扇形弧长所在的面上设置有齿，每一块扇形测试块的角弧度为22.5°。
扇形测试块包括：不同高度测试块I、不同齿间隙测试块II、不同齿形夹角测试块III、不同齿形空腔深度测试块IV、不同齿型结构测试块V；不同高度测试块I用以测试不同迷宫密封间隙下的密封性能；不同齿间隙测试块II用以测试不同迷宫密封齿间隙下的密封性能；不同齿形夹角测试块III用以测试不同迷宫密封齿形夹角下的密封性能；不同齿形空腔深度测试块IV用以测试不同迷宫密封齿形空腔深度下的密封性能；不同齿型结构测试块V用以测试不同迷宫密封齿型结构下的密封性能。
气缸迷宫齿为螺纹齿形结构的结构。
气缸下方设置有试验台底座。
有益效果：
（1）现有轴向迷宫密封应用较少，研究成果和实际理论不够全面，本测试装置可将实验结果与当前模拟分析结果进行验证，提供轴向迷宫密封实际应用密封机理的理论支撑。
（2）测试装置结构简单、实施方便，所采用的测试条件容易实现，可针对不用介质进行测试分析与数据采集处理。
（3）可更换的迷宫密封测试块，可在不更换整个活塞样件的基础上进行替换性实验测试。通过不同间隙、齿形夹角、空腔深度、齿形朝向、密封段材料等影响因素进行密封性能的测试，具有较强的适用性与经济性。
本发明可通过实验验证轴向迷宫密封的性能，并验证不同进出口压差和不同迷宫密封结构参数下的密封特性。
附图说明
图1为轴向可调式迷宫密封实验测试装置结构图；
图2为轴向可调式迷宫密封实验测试装置的轴向剖视图；
图3为不同齿间隙测试块II结构示意图；
图4为不同齿形夹角测试块III结构示意图；
图5为不同齿形空腔深度测试块IV结构示意图；
图6为不同齿型结构测试块V结构示意图；
图7为迷宫密封活塞气缸湍动能云图；
图8为迷宫密封活塞气缸截面处速度云图；
图中标注：1-压差式流量计，2-控制阀，3-压缩机，4-气缸，5-气缸迷宫齿，6-振动传感器，7-活塞，8-活塞迷宫密封测试块，9-出口气阀，10-气缸盖，11-活塞挡板，12-静压腔，13-试验台底座，14-活塞顶板，15-扇形测试块，16-压力传感器 ，17-计算机，18-T型螺栓。
具体实施方式
本申请为一种轴向可调式迷宫密封实验测试装置，可通过实验验证轴向迷宫密封的性能，并验证不同进出口压差和不同迷宫密封结构参数下的密封特性。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述设计方案进行详细的说明。
本发明提出一种轴向可调式迷宫密封实验测试装置，通过搭建迷宫密封测试装置试验台，对进出口压力及流量进行数据采集，并通过改变迷宫密封结构参数，验证不同压差下、不同结构参数下，迷宫密封性能，为轴向迷宫密封机理与其结构参数优化提供实验数据。
如图1和2所示，一种轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，本测试装置包括供压系统、轴向迷宫密封测试结构和测量系统；供压系统的压缩机3连通静压腔12，压缩机3与静压腔12连通的管路上设置有控制阀2，静压腔12与迷宫密封测试部分连通；供压系统为供压部分，由压缩机3和控制阀2及静压腔12组成，压缩机3提供实验所需要的压力，介质通过压缩机3经过控制阀2调节后再到稳压腔后进入实验测试段，实验测试段为气缸迷宫齿5与活塞迷宫密封测试块8之间。气缸迷宫齿5为螺纹齿形结构的结构。气缸迷宫齿5与活塞7的扇形测试块15构成膨胀空腔，形成迷宫通道的实验测试段。
迷宫密封测试部分的气缸4内设置有活塞7，活塞7的左右两侧，左右两侧为如图1所示的左侧和右侧，分别固定连接焊接有活塞顶板14和活塞挡板11，一侧的活塞顶板14与气缸4内壁形成稳压腔，稳压腔与静压腔12连通，另一侧的活塞挡板11固定于气缸盖10上，活塞7、活塞挡板11、气缸盖10通过圆周均布的螺栓共8个进行固定连接。气缸4与气缸盖10形成封闭空间，气缸盖10上设置有出口气阀9，气缸盖10与气缸4通过螺栓共8个进行固定连接，沿活塞7圆周上设置有可通过螺栓更换的活塞迷宫密封测试块8。密封空间与活塞7之间形成的空隙即为迷宫通道。
气缸4内壁上与活塞迷宫密封测试块8相对处设置有气缸迷宫齿5，气缸迷宫齿5与活塞迷宫密封测试块8之间形成实验测试段。活塞迷宫密封测试块8为16块扇形测试块15呈圆周排布，16块扇形测试块15均与活塞7螺栓连接，螺栓连接可更换，扇形测试块15为截面呈扇形的块状结构，如图2所示，块状结构的上弧面（扇形弧长所在的面）上设置有齿，每一块扇形测试块15的角弧度为22.5°，16块扇形测试块15相比活塞整体试件节省成本，但过多的试块数量将对装配精度要求更高，故选用16块，易于加工和进行替换。
根据扇形测试块15齿的不同，扇形测试块15包括：不同齿高度测试块I、不同齿间隙测试块II、不同齿形夹角测试块III、不同齿形空腔深度测试块IV、不同齿型结构测试块V；可更换的活塞迷宫密封测试块8，可在不更换整个活塞样件的基础上进行替换性实验测试。通过不同间隙、齿形夹角、空腔深度、齿形朝向、密封段材料等影响因素进行密封性能的测试，具有较强的适用性与经济性。
不同齿高度测试块I为由不同高度的齿组成的测试块，用以测试不同迷宫密封间隙下的密封性能；具体齿的高度根据测试需求进行设定；
如图3所示，不同齿间隙测试块II为由不同齿间隙组成的测试块，用以测试不同迷宫密封齿间隙下的密封性能；相邻两齿之间的间隙为0.1mm、0.2mm和0.3mm等，具体根据测试需求进行设定；
如图4所示，不同齿形夹角测试块III为由不同齿形夹角组成的测试块，用以测试不同迷宫密封齿形夹角下的密封性能；相邻两齿之间的夹角为50°、55°和60°等，具体根据测试需求进行设定；
如图5所示，不同齿形空腔深度测试块IV为由不同齿形空腔深度组成的测试块，用以测试不同迷宫密封齿形空腔深度下的密封性能；相邻两齿之间的空腔深度为0.4mm、0.5mm和0.6mm等，具体根据测试需求进行设定；
如图6所示，不同齿型结构测试块V为由不同齿型结构组成的测试块，用以测试不同迷宫密封齿型结构下的密封性能。整体齿型结构可为齿型左倾、齿型对称和齿型右倾等，具体根据测试需求进行设定。
本发明不限于以上测试块8的组成，可以根据测试需求制备其他不同影响因素下的测试块用于测试，以提高测试的真实性。
测量系统包括压差式流量计1、振动传感器6和压力传感器16，压差式流量计1设置在静压腔12与气缸4连通的管路上，振动传感器6设置在气缸4外侧，压力传感器16设置在出口气阀9处。压差式流量计1、振动传感器6和压力传感器16连接计算机17，将信号采集后传输到计算机17上，进行数据记录与分析。测量数据主要包括进口总压、静压、出口静压、振动信号，以及辅助测试记录的温度、噪声值等。
辅助测试数据还包括热电偶式传感器记录的温度及A权噪声级记录的噪声值等，用于验证密封性能的稳定性。
气缸4下方设置有试验台底座13，形成受力封闭链，且避免振动影响测试数据准确性，保证测试时实验装置的稳定性 。具体为轴向迷宫密封测试结构与试验台底座13上的T型槽通过T型螺栓18进行联接固定。
轴向可调式迷宫密封实验的测试装置的测试方法，该测试方法的步骤如下：
（1）根据测试需求，选取活塞迷宫密封测试块8的具体形式，以得到不同结构参数的迷宫密封性能，将活塞迷宫密封测试块8安装在活塞7上；
（2）供压系统提供实验所需要的压力，介质通过压缩机3经过控制阀2调节后再到稳压腔后进入实验测试段；
（3）介质进入轴向迷宫密封测试结构后，流经构成迷宫通道的实验测试段。连续通过气缸迷宫齿5与活塞迷宫密封测试块8之间形成的多个膨胀空腔和节流齿隙，再不断膨胀和压缩的过程中实现流体动能损耗，从而实现无接触密封；介质通过实验测试段后，压缩强压力增加，仍可有少量接触泄露，由出口气阀9排出。
最后通过压差式流量计1、振动传感器6和压力传感器16将信号采集后传输到计算机17上，进行数据记录与分析。
以本发明的结构特征进行CFD流固耦合仿真分析，得到轴向迷宫密封内部流畅的运动特征，如图7和图8所示，由图7可知迷宫密封内部流体湍动能在通过膨胀空腔过程中，流体内部能量转化为湍动能。由图8可知流体在膨胀腔室内流速变化不大，而在间隙位置发生流体速度发生较大变化。即本测试装置的实验测试结果可为完善迷宫密封理论和模拟仿真方法提供实验验证支撑。

Claims (6)

1.一种轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，其特征在于：本测试装置包括供压系统和轴向迷宫密封测试结构，供压系统的压缩机（3）连通静压腔（12），压缩机（3）与静压腔（12）连通的管路上设置有控制阀（2），静压腔（12）与轴向迷宫密封测试结构连通；
轴向迷宫密封测试结构的气缸（4）内设置有活塞（7），活塞（7）的左右两侧分别固定连接有活塞顶板（14）和活塞挡板（11），活塞顶板（14）与气缸（4）内壁形成稳压腔，稳压腔与静压腔（12）连通，活塞挡板（11）固定于气缸盖（10）上，气缸盖（10）上设置有出口气阀（9），气缸盖（10）与气缸（4）固定连接形成封闭空间，沿活塞（7）圆周上设置有活塞迷宫密封测试块（8）；气缸（4）内壁上与活塞迷宫密封测试块（8）相对处设置有气缸迷宫齿（5），气缸迷宫齿（5）与活塞迷宫密封测试块（8）之间形成实验测试段。
2.根据权利要求1所述的轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，其特征在于：本测试装置包括测量系统，测量系统包括压差式流量计（1）、振动传感器（6）和压力传感器（16），压差式流量计（1）设置在静压腔（12）与气缸（4）连通的管路上，振动传感器（6）设置在气缸（4）外侧，压力传感器（16）设置在出口气阀（9）处；压差式流量计（1）、振动传感器（6）和压力传感器（16）均连接至计算机（17）。
3.根据权利要求1所述的轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，其特征在于：活塞迷宫密封测试块（8）为16块扇形测试块（15）呈圆周排布，16块扇形测试块（15）均与活塞（7）连接，扇形测试块（15）为截面呈扇形的块状结构，扇形弧长所在的面上设置有齿，每一块扇形测试块（15）的角弧度为22.5°。
4.根据权利要求3所述的轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，其特征在于：扇形测试块（15）包括：不同高度测试块（I）、不同齿间隙测试块（II）、不同齿形夹角测试块（III）、不同齿形空腔深度测试块（IV）、不同齿型结构测试块（V）；不同高度测试块（I）用以测试不同迷宫密封间隙下的密封性能；不同齿间隙测试块（II）用以测试不同迷宫密封齿间隙下的密封性能；不同齿形夹角测试块（III）用以测试不同迷宫密封齿形夹角下的密封性能；不同齿形空腔深度测试块（IV）用以测试不同迷宫密封齿形空腔深度下的密封性能；不同齿型结构测试块（V）用以测试不同迷宫密封齿型结构下的密封性能。
5.根据权利要求1所述的轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，其特征在于：气缸迷宫齿（5）为螺纹齿形结构。
6.根据权利要求1所述的轴向可调式迷宫密封实验的测试装置，其特征在于：气缸（4）下方设置有试验台底座（13）。
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