CN112303239B - 主动式动压型气膜端面密封装置及其智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型主动式动压型气膜端面密封装置与智能控制方法，装置包括气膜端面密封装置、外部监测及控制***。气膜端面密封装置包括动环、静环、磁控形状记忆合金、气控弹簧、励磁线圈、动压槽、静环座；外部监测及控制***包括流量计、气压调节阀、气源、电压调节器、电源、控制器。智能控制方法是指流量计将实时泄漏率传入控制器，根据实时泄漏率与目标泄漏率的差值可以得到闭合力调节量，再通过控制器控制气压调节阀和电压控制器，改变气控弹簧刚度和弹簧压缩量，最终实现闭合力的自适应控制。本发明结构简单、体积小、调控速率快，适用于工况多变和高参数工况的场合，能维持密封稳定运行，降低密封失效风险。

Description

主动式动压型气膜端面密封装置及其智能控制方法

技术领域

本发明涉及轴密封领域，具体涉及一种主动式动压型气膜端面密封装置及其智能控制方法。

背景技术

干气密封是以气体作为密封介质的非接触式端面密封，通过气体动压效应，在动、静环之间形成一层微米级的气膜，实现非接触式运行，以其低泄漏、长寿命、磨损少等优点被广泛应用在各种旋转机械的轴端密封，如离心压缩机等。

由于机械密封在运行过程中不可避免的受到轴系振动，特别是随着机械设备向超高速发展，轴系振动更加剧烈，机械密封不可避免的出现密封失效，造成介质泄漏和磨损剧烈等各种问题，不仅对工业生产造成损失，还对操作人员造成伤害。因此有必要针对机械干气密封在动态运行过程中的稳定性进行研究，使密封能在长周期内完全稳定运行。

目前，国内对机械密封***的密封参数检测方面已经有了较为成熟的技术，但受到控制设备落后的限制，大部分对于密封***的控制需要人工进行，不能实现自适应和实时控制，因此膜厚实时变化会对密封性能产生较大影响，使密封发生失效。

发明内容

本发明的第一个目的是提供主动式动压型气膜端面密封装置，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

主动式动压型气膜端面密封装置，包括气膜端面密封装置、外部监测及控制***；

所述气膜端面密封装置包括动环、静环、动压槽、静环座、励磁线圈、磁控形状记忆合金、气控弹簧；所述动环和静环中至少有一个密封端面上开设动压槽。

所述静环安装在所述静环座上；所述静环座背面开设环形槽，所述励磁线圈安装在所述环形槽内；所述励磁线圈在通电后产生磁场。

所述静环座正面开设安装孔，所述磁控形状记忆合金安装在所述安装孔内；所述气控弹簧安装于所述磁控形状记忆合金与所述静环之间。

定义所述动环与所述静环的旋转中心轴轴线方向为轴向；所述磁控形状记忆合金在所述磁场作用下沿所述轴向发生变形，以使所述静环与所述动环紧密贴合形成密封端面。

所述外部监测及控制***包括流量计、气压调节阀、气源、电压调节器、电源、控制器；所述流量计用于测量所述气膜端面密封装置的泄漏率；所述气压调节阀用于调节气源的供气压力；所述电压调节器用于调节电源的电压；所述控制器用于控制所述气压调节阀和电压调节器。

进一步的：所述气控弹簧为具有弹性的橡胶或箔片。

进一步的：安装孔沿所述静环座的圆周方向均匀设置。

进一步的：所述气控弹簧内部中空且连通，所述气控弹簧通过注气管路与气源连通。

进一步的：所述气控弹簧包括充气单元，所述充气单元多组并列重复排列，相邻两充气单元之间通过圆孔连通。

进一步的：所述充气单元的横截面形状为菱形或椭圆形。

进一步的：所述磁控形状记忆合金的横截面形状为“T”字形或矩形。

本发明的第二个目的是提供新型主动式动压型干气密智能调控方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

新型主动式动压型干气密封装置的智能调控方法，包括如下步骤：

(1)流量计3实时监测气膜端面密封装置的泄漏率信息并传入控制器6进行处理；通过实时监测泄漏率与目标泄漏率之间的差值ΔQ，再根据泄漏率与膜厚之间的关系公式

可获得对应的膜厚差值Δh；再根据闭合力调节量ΔF与膜厚差值Δh、气膜刚度K_f之间的关系公式ΔF＝K_fΔh，即可获得对应的闭合力调节量ΔF。

(2)根据闭合力调节量ΔF与弹簧刚度K、弹簧压缩量Δx之间的关系公式ΔF＝KΔx，控制器6输出端控制气压调节阀4，改变气控弹簧8的刚度，直至所调节的闭合力F₁符合设定范围F₁＝(0.6～0.7)ΔF。

(3)根据闭合力调节量ΔF与弹簧刚度K、弹簧压缩量Δx之间的关系公式ΔF＝KΔx，控制器6输出端控制电压调节器5，改变输入励磁线圈9的电压，从而改变励磁线圈9产生的磁场强度，进而改变磁控形状记忆合金7的形变量和弹簧压缩量，直至所调节的闭合力F₂符合设定范围F₂＝ΔF-F₁。

磁控形状记忆合金是一种具有双向形状记忆功能的新型智能材料，可以通过外加磁场作用改变形状，之后去掉磁场其材料不发生形变，具有形状记忆特性。通过施加反向磁场和外部压力使其恢复形变。其具有响应速度快、形变量大、体积小等优点，能够运用在控制弹簧压缩量上。在施加磁场时可以使弹簧压缩量发生改变，增大闭合力，在去掉磁场后，弹簧的反作用力使磁控形状记忆合金更好的恢复形变，减小闭合力，实现动、静环在长周期内平稳运行。

本发明的技术效果是：

根据流量计实时监测泄漏率，控制器实时控制弹簧刚度和弹簧压缩量，实现闭合力自适应控制，防止因轴系振动造成密封面磨损，有效提高干气密封的运行稳定性和抗干扰能力；相对于一般自适应干气密封控制***具有结构简单、体积小、调控速率快等优点，适用于工况多变和高参数工况的场合，能维持密封稳定运行，降低密封失效风险。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明一种主动式动压型气膜端面密封装置的结构示意图。

图2为本发明中气压调控弹簧的结构示意图。

图3为本发明的控制原理图。

在上述各图中：动环1、静环2、流量计3、气压调节阀4、气源41、电压调节器5、电源51、控制器6、磁控形状记忆合金7、气控弹簧8、励磁线圈9、动压槽10、静环座11。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参见图1，一种主动式动压型气膜端面密封装置，包括气膜端面密封装置、外部监测及控制***。所述气膜端面密封装置包括动环1、静环2、磁控形状记忆合金7、气控弹簧8、励磁线圈9、动压槽10、静环座11；

所述静环座11背面开设环形槽，所述环形槽用于安装所述励磁线圈9。

所述静环座11正面侧沿圆周方向均匀开设若干安装孔，所述安装孔用于安装所述磁控形状记忆合金7，所述气控弹簧8安装于磁控形状记忆合金7与静环2之间。

所述动环1与静环2的旋转中心轴轴线方向定义为轴向；所述励磁线圈9通电后产生磁场；所述磁控形状记忆合金7在所述磁场作用下变形；变形方向是平行于轴向方向的。

所述动环1和静环2中至少有一个密封环的密封端面上开设有动压槽10；在所述磁控形状记忆合金7和气控弹簧8挤压力的作用下；所述静环2与所述动环1紧密贴合形成密封端面。

所述气控弹簧8采用橡胶、箔片等具有弹性的材料制作。

气控弹簧8内部中空且连通，通过注气管路向其注入带压气体来改变所述气控弹簧8的刚度。

如图2所示，气控弹簧8横截面采用多个菱形或椭圆形单元的组合结构，各菱形或者椭圆形单元通过圆孔连通。

所述磁控形状记忆合金7的横截面形状为“T”字形或矩形。

所述外部监测及控制***包括流量计3、气压调节阀4、气源41、电压调节器5、电源51、控制器6。所述流量计3用于测量所述气膜端面密封装置的泄漏率；所述气压调节阀4用于调节气源41的供气压力；所述电压调节器5用于调节电源51的电压；所述控制器6用于控制所述气压调节阀4和电压调节器5。

本发明的具体控制原理如图3所示为：流量计实时监测气膜端面密封装置的泄漏率信息并传入控制器进行处理；通过实时监测泄漏率与目标泄漏率之间的差值ΔQ，再根据泄漏率与膜厚之间的关系公式

可获得对应的膜厚差值Δh；再根据闭合力调节量ΔF与膜厚差值Δh、气膜刚度K_f之间的关系公式ΔF＝K_fΔh，即可获得对应的闭合力调节量ΔF。根据闭合力调节量ΔF与弹簧刚度K、弹簧压缩量Δx之间的关系公式ΔF＝KΔx，控制器输出端控制气压调节阀，改变气控弹簧的刚度，直至所调节的闭合力F₁符合设定范围F₁＝(0.6～0.7)ΔF。根据闭合力调节量ΔF与弹簧刚度K、弹簧压缩量Δx之间的关系公式ΔF＝KΔx，控制器输出端控制电压调节器，改变输入励磁线圈的电压，从而改变励磁线圈产生的磁场强度，进而改变磁控形状记忆合金的形变量和弹簧压缩量，直至所调节的闭合力F₂符合设定范围F₂＝ΔF-F₁。

参见图2，气控弹簧8内部中空且连通，通过注气管路向其注入带压气体来改变所述气控弹簧8的刚度。该种气控弹簧横截面采用多个菱形或椭圆形单元的组合结构，各菱形或者椭圆形单元通过圆孔连通。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.主动式动压型气膜端面密封装置，包括气膜端面密封装置、外部监测及控制***；

所述气膜端面密封装置包括动环(1)、静环(2)、动压槽(10)、静环座(11)、励磁线圈(9)、磁控形状记忆合金(7)、气控弹簧(8)；

所述动环(1)和静环(2)中至少有一个密封端面上开设动压槽(10)；

所述静环(2)安装在所述静环座(11)上；

所述静环座(11)背面开设环形槽，所述励磁线圈(9)安装在所述环形槽内；所述励磁线圈(9)在通电后产生磁场；

所述静环座(11)正面开设安装孔，所述磁控形状记忆合金(7)安装在所述安装孔内；所述气控弹簧(8)安装于所述磁控形状记忆合金(7)与所述静环(2)之间；

定义所述动环(1)与所述静环(2)的旋转中心轴轴线方向为轴向；

所述磁控形状记忆合金(7)在所述磁场作用下沿所述轴向发生变形，以使所述静环(2)与所述动环(1)紧密贴合形成密封端面；

所述外部监测及控制***包括流量计(3)、气压调节阀(4)、气源(41)、电压调节器(5)、电源(51)、控制器(6)；

所述流量计(3)用于测量所述气膜端面密封装置的泄漏率；所述气压调节阀(4)用于调节气源(41)的供气压力；所述电压调节器(5)用于调节电源(51)的电压；所述控制器(6)用于控制所述气压调节阀(4)和电压调节器(5)。

2.如权利要求1所述主动式动压型气膜端面密封装置，其特征在于：所述气控弹簧(8)为具有弹性的橡胶或箔片。

3.如权利要求1所述主动式动压型气膜端面密封装置，其特征在于：安装孔沿所述静环座(11)的圆周方向均匀设置。

4.如权利要求1所述主动式动压型气膜端面密封装置，其特征在于：所述气控弹簧(8)内部中空且连通，所述气控弹簧(8)通过注气管路与气源(41)连通。

5.如权利要求1所述主动式动压型气膜端面密封装置，其特征在于：所述气控弹簧(8)包括充气单元，所述充气单元多组并列重复排列，相邻两充气单元之间通过圆孔连通。

6.如权利要求5所述主动式动压型气膜端面密封装置，其特征在于：所述充气单元的横截面形状为菱形或椭圆形。

7.如权利要求1所述主动式动压型气膜端面密封装置，其特征在于：所述磁控形状记忆合金(7)的横截面形状为“T”字形或矩形。

8.上述任意一项权利要求所述主动式动压型气膜端面密封装置的智能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)流量计实时监测气膜端面密封装置的泄漏率信息并传入控制器进行处理；通过实时监测泄漏率与目标泄漏率之间的差值ΔQ，再根据泄漏率与膜厚之间的关系公式

获得对应的膜厚差值Δh；再根据闭合力调节量ΔF与膜厚差值Δh、气膜刚度K_f之间的关系公式ΔF＝K_fΔh，可获得对应的闭合力调节量ΔF；

(2)根据上述闭合力调节量ΔF与弹簧刚度K、弹簧压缩量Δx之间的关系公式ΔF＝KΔx，控制器输出端控制气压调节阀，改变气控弹簧的刚度，直至所调节的闭合力F₁符合设定范围F₁＝(0.6～0.7)ΔF；

(3)根据闭合力调节量ΔF与弹簧刚度K、弹簧压缩量Δx之间的关系公式ΔF＝KΔx，控制器输出端控制电压调节器，改变输入励磁线圈的电压，从而改变励磁线圈产生的磁场强度，进而改变磁控形状记忆合金的形变量和弹簧压缩量，直至所调节的闭合力F₂符合设定范围F₂＝ΔF-F₁。

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