CN113720535B - 一种用于机械密封性能测试方法及超高速运转装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机械密封性能测试方法及超高速运转装置，由高压气体通过超音速喷嘴膨胀加速后产生超音速气流，超音速气流驱动轴流涡轮超高速旋转；待测试机械密封中动环与涡轮同轴超高速运转；待测试机械密封中的动环与静环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮输出的负载；通过涡轮高速旋转下的轴功率输出计算分析机械密封的摩擦功耗和或端面的磨损量。

Description

一种用于机械密封性能测试方法及超高速运转装置

技术领域

本发明涉及一种机械密封性能测试方法及超高速运转装置，具体说涉及一种用于机械密封性能测试方法及超高速运转装置。

背景技术

机械密封性能测试项目主要包括运转过程中的油密封性，运转过程中的摩擦功耗、发热量、高速运转下的磨损率及机械密封在静止状态下的气密封性。航天伺服涡轮泵中机械密封性能测试一般都通过将机械密封装配到涡轮泵中进行实际工况下的运转测试，但此种测试方法存在诸多弊端，首先由于机械密封一般均安装在轴承腔内，因此测试过程中机械密封的摩擦功耗难以与轴承的摩擦功耗区分，机械密封端面的发热量也难以与轴承发热量区别开来；其次，若要进行机械密封端面磨损率测量，势必要将机械密封从涡轮泵中拆解下来，如此一来则破坏了原来安装状态，导致再次装配回去状态与原状态不一致；同时，将机械密封装配到涡轮泵中进行实测则必然要整台涡轮泵按照实际工况运转起来才能进行，如此也导致试验成本奇高，能源浪费严重。

发明内容

本发明的目的是解决机械密封在超高速运转状态下的性能测试，提供一种用于机械密封性能测试方法及超高速运转装置。

本发明解决技术的方案是：一种用于机械密封性能测试方法，包括如下步骤：

由高压气体通过超音速喷嘴膨胀加速后产生超音速气流，超音速气流驱动轴流涡轮超高速旋转；待测试机械密封中动环与涡轮同轴超高速运转；待测试机械密封中的动环与静环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮输出的负载；通过涡轮高速旋转下的轴功率输出计算分析机械密封的摩擦功耗和或端面的磨损量。

进一步的，所述的机械密封安装在密封壳内部，通过积油泄露量测试检测机械密封在运转过程中的油密封性。

进一步的，将上述密封壳合围成机械密封工作腔与轴承工作腔，两腔之间通过石墨环组件与动环形成的密封副密封隔离；通过向机械密封工作腔通入气体，在轴承工作腔检测气体泄露率，实现对机械密封气密封性的检测。

一种用于机械密封性能测试的超高速运转装置，包括涡轮轴系组件、壳体、进气端盖、涡轮盖、密封壳、密封盖、轴承端盖；

壳体为涡轮轴系组件、静环组件、进气端盖、涡轮盖、密封壳、密封盖、轴承端盖提供安装与定位空间，其上开有积油孔、轴承润滑油道及各种标准件连接接口；机械密封中动环安装在涡轮轴系组件上，与涡轮同轴超高速运转；涡轮轴系组件由两滚动轴承支撑安装在壳体上，机械密封中静环组件与壳体固定，动环与石墨环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮轴系组件的负载；所述进气端盖上加工有超音速喷嘴，为涡轮提供动力来源，同时进气端盖对滚动轴承提供轴向限位作用，对涡轮盖提供安装定位接口；所述涡轮盖用于保护涡轮并为涡轮提供工作空间与排气接口；所述密封盖用于在涡轮静止状态下与所述密封壳、壳体、轴承端盖、涡轮轴系组件配合形成机械密封工作腔，可对机械密封进行静止状态下的气密封试验检测。

进一步的，所述滚动轴承通过设置在壳体上的接口采用油雾或油气方式润滑，所述密封壳上设置进出油孔，用于为机械密封提供润滑冷却油。

进一步的，所述涡轮轴系组件包括轴流涡轮、涡轮轴、轴衬套、调整轴套、调整垫片、轴端锁紧螺母；

涡轮轴上依次安装轴流涡轮、轴衬套、调整轴套、动环、调整垫片，涡轮轴两端通过轴端锁紧螺母锁定以保证所述涡轮轴上各部件相对涡轮轴无转动连接；所述轴衬套的两端安装滚动轴承；所述调整轴套用于调节静环组件与动环摩擦副端面的比压。

进一步的，涡轮轴系组件上的轴衬套与密封盖、壳体、密封壳及O型密封圈共同组合围成了机械密封工作腔与轴承工作腔，两腔之间通过石墨环组件与动环之间的密封副隔离分开，通过设置在壳体上且与所述轴承工作腔连通的接口，以及设置在密封盖上的进出油孔之间通气，完成对机械密封静止状态下的气密封试验检测。

进一步的，所述静环组件包括石墨环组件、压缩弹簧、导向螺钉及轴承端盖，石墨环组件包括静环座与石墨环；静环座与石墨环通过过盈配合或者粘接组合成石墨环组件，石墨环组件通过压缩弹簧与导向螺钉安装定位在轴承端盖上，压缩弹簧为石墨环组件提供轴向弹力，在工作状态下保证石墨环组件与动环贴合时有一定的端面比压，导向螺钉防止石墨环周向旋转，轴承端盖安装固定在壳体上，保证石墨环与壳体保持静止状态；所述轴承端盖对滚动轴承提供限位作用，轴承端盖上开油孔，并与壳体上油孔配合形成滚动轴承的润滑油道。

进一步的，所述超高速运转装置还包括波浪圈，所述波浪圈用于对滚动轴承提供轴向预紧作用。

进一步的，通过涡轮高速运转下的轴功率输出计算分析机械密封的摩擦功耗，通过测量密封壳进出口润滑油温升分析摩擦副端面发热量，通过壳体上积油孔泄露量测试检测机械密封在运转过程中的油密封性，通过拆卸密封壳直接观察到密封副端面的磨损量，通过移动密封盖与壳体、涡轮轴系组件配合形成机械密封工作腔，对机械密封进行静止状态下的气密封试验检测。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明提出了一种解决方案，即将被测试的机械密封组件从涡轮泵轴承腔中解放出来，单独放置在一个密封容腔内，运转过程中单独给机械密封提供润滑冷却油，如此则可单独测试机械密封的摩擦功耗、发热量、运转条件下的油密封性，同时也可以不用分解机械密封的装配状态直接观察到密封副的端面摩擦率，及静止状态下的气密封性。同时本装置由于极大地简化了试验装置，使得试验运行的成本大幅降低，非常便于试验的随时开展。

附图说明

图1一种用于机械密封性能测试的超高速运转装置等轴视图；

图2一种用于机械密封性能测试的超高速运转装置垂直剖面图；

图3一种用于机械密封性能测试的超高速运转装置水平剖面图；

图4涡轮轴系组件剖面图；

图5静环组件垂直剖面图；

图6静环组件水平剖面图；

图7壳体垂直剖面图；

图8进气端盖右视图；

图9进气端盖喷嘴截面剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明主要目的是解决机械密封在超高速运转状态下的性能测试，主要测试项目包括运转过程中机械密封的油密封性能、摩擦功耗、发热量、端面磨损率及运转后在静止状态下的气密封性等。主要技术思路为：该装置由高压气体通过超音速喷嘴膨胀加速后产生超音速气流，超音速气流驱动轴流涡轮超高速旋转，机械密封中动环安装在涡轮轴系组件上，与涡轮同轴超高速运转。涡轮轴系组件由两滚动轴承支撑安装在壳体上，滚动轴承采用油雾或油气润滑方式，机械密封中石墨环组件安装在轴承端盖上与壳体固定，动环与石墨环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮轴系组件的负载。同时机械密封安装在密封壳内部，通过密封壳上进出油孔可以为机械密封提供润滑冷却油。通过涡轮高速运转下的轴功率输出计算可以分析机械密封的摩擦功耗，通过测量密封壳进出口润滑油温升可以分析摩擦副端面发热量，通过壳体上积油孔泄露量测试可以检测机械密封在运转过程中的油密封性，通过拆卸密封壳可以直接观察到密封副端面的磨损量，通过移动密封盖与轴衬套配合可以进行机械密封在静止状态下的气密封性检测等。该发明的主要技术指标，该设备外形体积小，外形包络直径不超过最高运转速度可达100000rpm以上。

本发明大体上包括以下几部分，涡轮轴系组件、机械密封静环组件(后续简称静环组件)、壳体、进气端盖、涡轮盖、密封壳、密封盖、波浪圈及标准件密封圈与连接螺栓等。

涡轮轴系组件主要实现气体动能向涡轮轴机械能的转换、超高速运转及能量传递，通过涡轮轴系组件可以将涡轮输出的轴功率传递给动环，驱动动环与石墨环组件保持相互摩擦贴合运转。通过安装在涡轮轴系组件上的两滚动轴承可以将涡轮轴系组件定位安装在壳体上，通过壳体上开孔可以对滚动轴承进行油雾或油气润滑，此外通过涡轮轴系组件上的轴衬套与密封盖、壳体、密封壳等配合还可以完成机械密封静止状态下的气密封性检查。涡轮轴系组件由轴流涡轮、涡轮轴、轴衬套、调整轴套、动环、调整垫片、轴端锁紧螺母、标准件滚动轴承与密封圈等组成。

静环组件主要包括石墨环组件、压缩弹簧、导向螺钉及轴承端盖，石墨环组件包括静环座与石墨环，静环座与石墨环通过过盈配合或者粘接组合成石墨环组件，石墨环组件通过压缩弹簧与导向螺钉安装定位在轴承端盖上，压缩弹簧为石墨环组件提供轴向弹力，在工作状态下保证石墨环组件与动环贴合时有一定的端面比压，导向螺钉防止石墨环周向旋转，轴承端盖安装固定在壳体上，保证石墨环与壳体保持静止状态，同时轴承端盖也对轴系组件中的滚动轴承提供限位作用，轴承端盖上开油孔，并与壳体上油孔配合形成滚动轴承的润滑油道。

壳体为涡轮轴系组件、静环组件、进气端盖、涡轮盖、密封壳、密封盖及波浪圈等提供安装与定位空间。壳体上开有积油孔、轴承润滑油道及各种标准件连接接口。

进气端盖上加工有超音速喷嘴，实现高压气体喷胀加速功能，并为涡轮提供动力来源，同时进气端盖也对轴系组件中滚动轴承提供轴向限位作用，对涡轮盖提供安装定位接口。

涡轮盖主要起保护涡轮功能，并为涡轮提供工作空间与排气接口。

密封壳主要为机械密封提供密封工作空间，密封壳上开有工艺孔、进油口与出油口，为机械密封提供润滑油的进出接口与检测接口，密封壳通过标准件螺钉安装在壳体上。

密封盖主要起在整机静止状态下，与轴系组件中轴衬套、壳体等配合形成密封容腔，可对机械密封进行静止状态下的气密封试验检测。

波浪圈主要对轴系组件中的滚动轴承提供轴向预紧作用，标准件密封圈主要其各对外接口的静密封作用。

实施例

如图1-9所示，涡轮轴系组件1通过滚动轴承9和10定位安装到壳体3上，静环组件2和进气端盖4分别通过周向均布的螺钉11和螺栓13安装在壳体3两端，且通过静环组件2和进气端盖4对涡轮轴系组件1进行了轴向限位，波浪圈8安装在轴承9和静环组件2之间进行轴向预紧。涡轮盖5通过螺栓连接安装进气端盖4上，密封壳6通过螺钉11与静环组件2、壳体3连接成一体，密封盖7通过螺钉12安装在壳体3上。通过外部接口14为滚动轴承9提供油气(油雾)进行润滑，通过外部接口16为滚动轴承10提供油气(油雾)进行润滑，接口17为机械密封冷却油进出口，检测接口18用于安装测温设备。密封圈19用于阻止冷却油的对外泄漏，密封圈20、21、22用于各接合面静密封作用。

涡轮轴系组件1由轴流涡轮23、涡轮轴24、轴衬套25、调整轴套26、动环27、调整垫片28、轴端锁紧螺母29和30以及密封圈等组成。涡轮轴系组件1主要实现气体动能向涡轮轴24机械能的转换、超高速运转及能量传递，通过涡轮轴系组件1可以将涡轮23输出的轴功率传递给动环27，驱动动环27与静环组件2中石墨环组件31保持相互摩擦贴合运转。通过两个滚动轴承9、10将涡轮轴系组件1定位安装在壳体3上，调整轴套26的长度可调节静环组件2中的石墨环组件31与动环27摩擦副端面的比压。壳体3上接口14、16可以对外连接滚动轴承油润油雾或油气润滑。涡轮轴系组件1上的轴衬套25与密封盖7、壳体3、轴承端盖34、密封壳6及O型密封圈19，20，21，22等共同组合围成了机械密封工作腔与轴承9的轴承工作腔，两腔之间通过石墨环组件31与动环27之间的密封副隔离分开。

静环组件2主要包括石墨环组件31、压缩弹簧32、导向螺钉33及轴承端盖34，石墨环组件31包括静环座35与石墨环36，静环座35与石墨环36通过过盈配合或者粘接组合成石墨环组件31，石墨环组件31通过压缩弹簧32与导向螺钉33安装定位在轴承端盖34上，压缩弹簧32为石墨环组件31提供轴向弹力，在工作状态下保证石墨环组件31与动环27贴合时有一定的端面比压，导向螺钉33防止石墨环组件31周向旋转，轴承端盖34安装固定在壳体3上，保证石墨环组件31与壳体3保持静止状态，轴承端盖34上开有油道37，与壳体3上油道配合形成润滑油通道。

壳体3为涡轮轴系组件1、静环组件2、进气端盖4、涡轮盖5、密封壳6、密封盖7及波浪圈8等提供安装与定位空间。壳体3上开有润滑油道38，开有接口14、15、16用于外部连接油路。

进气端盖4上加工有超音速喷嘴39、40，实现高压气体喷胀加速功能，并为轴流涡轮23提供动力来源。同时进气端盖4对涡轮轴系组件1中滚动轴承10提供轴向限位作用，对涡轮盖5提供安装定位接口。

涡轮盖5主要起保护轴流涡轮23功能，并为涡轮提供工作空间与排气接口。密封壳6主要为机械密封提供密封工作空间，密封壳上开有工艺孔，为机械密封提供润滑油的进出接口17与检测接口18，密封壳通过标准件螺钉11安装在壳体3上。

实际工作中，针对不同的测试工况，两个超音速喷嘴39、40可任选一或同时接通高压气源，高压气体经过超音速喷嘴膨胀加速后驱动涡轮轴系组件1高速旋转，动环27与轴系组件同步旋转，并与静环组件2中石墨环组件31保持运转贴合状态，由此可进行机械密封的磨损性试验。运转过程中，通过外部接口14为滚动轴承9提供油气或油雾润滑，通过外部接口16为滚动轴承10提供油气或油雾进行润滑。涡轮轴系组件1高速转动时石墨环36与动环27的摩擦发热量将传递至由进出油口17提供的冷却油中，通过检测接口18可测量冷却油液温升，以此测量机械密封的摩擦发热量。由于整个涡轮轴系组件的负载主要是机械密封副摩擦功耗，因此可以通过计算喷胀气体功率转化量分析机械密封摩擦副的功耗损失。

涡轮轴系运转过程中，密封盖7通过螺钉安装到壳体3右端内侧面42上，与涡轮轴系组件1中的轴衬套25不接触。每次运转试验后，通过单独拆解密封壳6，在不分解机械密封组件的情况下，可以直接观察到机械密封石墨环组件31的磨损量。

涡轮轴系停转状态下，密封盖7通过螺钉安装到壳体3左端内侧面41上，密封盖7与轴衬套25、壳体3、轴承端盖34、密封壳6及O型密封圈19，20，21，22等共同合围成了机械密封工作腔与轴承9的轴承工作腔，两腔之间通过石墨环组件31与动环27形成的密封副密封隔离。通过向机械密封工作腔通入气体，在轴承工作腔检测气体泄露率，可以实现对机械密封气密封性的检测。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种用于机械密封性能测试的超高速运转装置，其特征在于：包括涡轮轴系组件、壳体、进气端盖、涡轮盖、密封壳、密封盖；

壳体为涡轮轴系组件、静环组件、进气端盖、涡轮盖、密封壳、密封盖提供安装与定位空间，其上开有积油孔、轴承润滑油道及各种标准件连接接口；机械密封中动环安装在涡轮轴系组件上，与涡轮同轴超高速运转；涡轮轴系组件由两滚动轴承支撑安装在壳体上，机械密封中静环组件与壳体固定，动环与静环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮轴系组件的负载；所述进气端盖上加工有超音速喷嘴，为涡轮提供动力来源，同时进气端盖对滚动轴承提供轴向限位作用，对涡轮盖提供安装定位接口；所述涡轮盖用于保护涡轮并为涡轮提供工作空间与排气接口；所述密封盖用于与所述密封壳、涡轮轴系组件配合形成机械密封工作腔，并对机械密封进行静止状态下的气密封试验检测提供接口；

所述滚动轴承通过设置在壳体上的接口采用油雾或油气方式润滑，所述密封壳上设置进出油孔，用于为机械密封提供润滑冷却油；

所述用于机械密封性能测试的步骤为：

由高压气体通过超音速喷嘴膨胀加速后产生超音速气流，超音速气流驱动轴流涡轮超高速旋转；待测试机械密封中动环与涡轮同轴超高速运转；待测试机械密封中的动环与静环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮输出的负载；通过涡轮高速旋转下的轴功率输出计算分析机械密封的摩擦功耗；

所述的机械密封安装在密封壳内部，通过积油泄漏量测试检测机械密封在运转过程中的油密封性；

将上述密封壳和密封盖合围成机械密封工作腔与轴承工作腔，两腔之间通过静环组件与动环形成的密封副密封隔离，静环组件与壳体固定，动环与静环组件相互摩擦贴合运转作为涡轮轴系组件的负载；通过向机械密封工作腔通入气体，在轴承工作腔检测气体泄漏率，实现对机械密封气密封性的检测。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述涡轮轴系组件包括轴流涡轮、涡轮轴、轴衬套、调整轴套、调整垫片、轴端锁紧螺母；

涡轮轴上依次安装轴流涡轮、轴衬套、调整轴套、动环、调整垫片，涡轮轴两端通过轴端锁紧螺母锁定以保证所述涡轮轴上各部件相对涡轮轴无转动连接；所述轴衬套的两端安装滚动轴承；所述调整轴套用于调节静环组件与动环摩擦副端面的比压。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：涡轮轴系组件上的轴衬套与密封盖、壳体、密封壳及O型密封圈共同组合围成了机械密封工作腔与轴承工作腔，两腔之间通过静环组件与动环形成的密封副隔离分开，通过设置在壳体上且与所述轴承工作腔连通的接口，以及设置在密封盖上的进出油孔之间通气，完成对机械密封静止状态下的气密封试验检测。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述静环组件包括石墨环组件、压缩弹簧、导向螺钉及轴承端盖，石墨环组件包括静环座与石墨环；静环座与石墨环通过过盈配合或者粘接组合成石墨环组件，石墨环组件通过压缩弹簧与导向螺钉安装定位在轴承端盖上，压缩弹簧为石墨环组件提供轴向弹力，在工作状态下保证石墨环组件与动环贴合时有一定的端面比压，导向螺钉防止石墨环周向旋转，轴承端盖安装固定在壳体上，保证石墨环与壳体保持静止状态；所述轴承端盖同时对滚动轴承提供限位作用，轴承端盖上开油孔，并与壳体上油孔配合形成滚动轴承的润滑油道。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括波浪圈，所述波浪圈用于对滚动轴承提供轴向预紧作用。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过涡轮高速运转下的轴功率输出计算分析机械密封的摩擦功耗，通过测量密封壳进出口润滑油温升分析摩擦副端面发热量，通过壳体上积油孔泄漏量测试检测机械密封在运转过程中的油密封性，通过拆卸密封壳直接观察到密封副端面的磨损量，通过移动密封盖与壳体、涡轮轴系组件配合形成机械密封工作腔，对机械密封进行静止状态下的气密封试验检测。