CN112729811A - 一种有机工质密封泄漏与动力特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，汽缸通过支撑***固定于底座上，汽缸的两端套接有轴套，汽缸的中间段为实验段，所述实验段的两侧为背压腔室，所述实验段设置有若干进气孔，进气总管通过进气管道与所述进气孔相连通，所述进气管道上设置有进气分管阀门，背压腔室上设置有若干出气孔，所述出气孔通过排气管道与第一储气罐相连通，第一储气罐经气体处理***与第二储气罐相连通，第二储气罐与进气总管相连通，排气管道上设置有压力调节阀门，驱动***与实验段的转子相连接，该装置能够控制有机工质的泄露量，满足通用密封圈的动力特性参数测试的要求。
Description
技术领域
本发明属于实验测试装置领域，涉及一种有机工质密封泄漏与动力特性测试装置。
背景技术
密封装置是透平机械的重要组成部分，他对抑制流(汽、气)体泄露，保障透平设备安全运行、调高***经济性具有重要的作用。随着透平机械技术的发展，高参数、大容量、高精度小间隙透平机械大量问世，汽(气)流激振问题也频繁发生，对设备的危害也越来越大。众所周知，密封内流体流动是引发汽流激振力的主要来源之一，人们通常使用八个刚度、阻尼系数来描述密封动力特性。
当前，对密封动力特性的获取方法基本上分为理论法、数值模拟法和实验法。理论法和数值模拟方法所获取的结果都没有实验法获取的结果直接、准确。同时，实验法获取的数据可以为数值模拟法提供测量数据基础，也能用来验证理论法中相关假设的重要性，这对于认识密封动力学的规律、理解汽流激振力的产生机理具有重要的价值。
有机工质透平相较于蒸汽透平、空气透平，它的工质泄露问题必须在实验装置的设计时予以充分考虑，同时密封结构的形式较多，比如，蜂窝、刷式、反旋流、阻尼、螺旋槽、阶梯、混合等新型密封型式，设计的实验装置和实验方法应该具有通用性。现有大部分实验装置并不能控制有机工质的泄露量和满足通用密封圈的动力特性参数测试的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，该装置能够控制有机工质的泄露量，满足通用密封圈的动力特性参数测试的要求。
为达到上述目的，本发明所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置包括汽缸、支撑***、底座、进气总管、进气管道、排气管道、第一储气罐、气体处理***、第二储气罐及驱动***；
汽缸通过支撑***固定于底座上，汽缸的两端套接有轴套，汽缸的中间段为实验段，所述实验段的两侧为背压腔室，所述实验段设置有若干进气孔，进气总管通过进气管道与所述进气孔相连通，所述进气管道上设置有进气分管阀门，背压腔室上设置有若干出气孔，所述出气孔通过排气管道与第一储气罐相连通，第一储气罐经气体处理***与第二储气罐相连通，第二储气罐与进气总管相连通，排气管道上设置有压力调节阀门，驱动***与实验段的转子相连接。
所述气体处理***包括依次相连通的压缩机、干燥机、冷却机及过滤器。
所述驱动***包括电机、联轴器、轴承支座、润滑油箱、油泵、进油管道及回油管道；
电机的输出轴通过联轴器与实验段的转子相连接，实验段的转子设置于第一滑动轴承及第二滑动轴承上，第一滑动轴承及第二滑动轴承安装于轴承支座上，润滑油箱的出口经油泵及进油管道与第一滑动轴承及第二滑动轴承的进油口相连通，第一滑动轴承及第二滑动轴承的出油口经回油管道与润滑油箱相连通。
进油管道上设置有压力传感器、进油阀门及流量计。
回油管道上设置有温度计。
第一滑动轴承及第二滑动轴承上均安装有位移传感器，汽缸的两侧安装有加速度传感器。
还包括对汽缸两端施加激振的激振器。
在测试时，先获取汽缸的阻抗函数矩阵Z，打开油泵，控制电机转速在1000～4000r/min之间，激振器提供500N左右的激振力，汽缸两端两个截面水平垂直力与振动的关系为：
其中，X1、Y1为汽缸第一个端面x、y方向上汽缸的绝对振动，X2、Y2为汽缸第二个端面x、y方向上汽缸的绝对振动，X1、Y1、X2、Y2通过加速度传感器测得，Fx、Fy为x、y方向上汽缸的激振力，Fx1、Fy1、Fx2、Fy2为汽缸第一个端面及第二个端面对应的汽缸的激振力，通过选取不同的激振方式，以获取汽缸阻抗函数矩阵内的Z11～Z44；
汽缸在受到汽流激振力的作用时，打开进气分管阀门，进气分管阀门的压力为0-2MPa，X方向的激振力、Y方向的激振力为进气汽流带来的激振力，由于汽流在整个汽缸内分布，其受到的总汽流激振力为：
通过测量汽缸两端水平和垂直方向的转子相对振动Wx、Wy来消除汽缸偏摆的影响，其中，
其中，Wx1、Wy1、Wx2、Wy2为两个位移传感器测得的转子相对振动；
转子的动力学控制方程为：
其中，Hij＝Kij+iωCij,ω为激振频率，由于汽缸仅受到与转子旋转通频的汽流激振力作用，激振频率与旋转频率，则有
选取两种汽流状态以求取密封动力特性参数，其中，
则密封动力特性系数矩阵[Hij]为：
上式可以修改为：
激振力表示为：
其中，Wx1,A、Wy1,A、Wx2,A、Wy2,A、Wx1,B、Wy1,B、Wx2,B及Wy2,B由位移传感器测量得到，X1,A、Y1,A、X2,A、Y2,A、X1,B、Y1,B、X2,B及Y2,B由加速度传感器测量得到，通过实部和虚部分别获取密封刚度Kxx、Kxy、Kyx、Kyy及密封阻尼Cxx、Cxy、Cyx、Cyy。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置在具体操作时，汽缸的中间段为实验段，所述实验段的两侧为背压腔室，同时实验段设置有若干进气孔，背压腔室上设置有若干出气孔，进气管道上设置有进气分管阀门，排气管道上设置有压力调节阀门，以控制有机工质的泄露量，满足通用密封圈的动力特性参数测试的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为驱动***的结构示意图；
图3为汽缸7的结构示意图。
其中，1为进气管道、2为压力调节阀门、3为排气管道、4为支撑***、5为进气总管、6为进气分管阀门、7为汽缸、8为第一储气罐、9为轴套、10为进油管道、11为回油管道11、12为转子、13为过滤器、14为联轴器、15为第一滑动轴承、16为第二滑动轴承、17为电机、18为润滑油箱、19为排气孔、20为实验段、21为背压腔室、22为进气孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1至图3，本发明所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置包括汽缸7、支撑***4、底座、进气总管5、进气管道1、排气管道3、第一储气罐8、气体处理***、第二储气罐及驱动***；汽缸7通过支撑***4固定于底座上，汽缸7的两端套接有轴套9，汽缸7的中间段为实验段20，所述实验段20的两侧为背压腔室21，所述实验段20设置有若干进气孔22，进气总管5通过进气管道1与所述进气孔22相连通，所述进气管道1上设置有进气分管阀门6，背压腔室21上设置有若干出气孔19，所述出气孔19通过排气管道3与第一储气罐8相连通，第一储气罐8经气体处理***与第二储气罐相连通，第二储气罐与进气总管5相连通，排气管道3上设置有压力调节阀门2，驱动***与实验段20的转子12相连接。
所述气体处理***包括依次相连通的压缩机、干燥机、冷却机及过滤器13。
所述驱动***包括电机17、联轴器14、轴承支座、润滑油箱18、油泵、进油管道10及回油管道11；电机17的输出轴通过联轴器14与实验段20的转子12相连接，实验段20的转子12设置于第一滑动轴承15及第二滑动轴承16上，第一滑动轴承15及第二滑动轴承16安装于轴承支座上，润滑油箱18的出口经油泵及进油管道10与第一滑动轴承15及第二滑动轴承16的进油口相连通，第一滑动轴承15及第二滑动轴承16的出油口经回油管道11与润滑油箱18相连通。
进油管道10上设置有压力传感器、进油阀门及流量计；回油管道11上设置有温度计；第一滑动轴承15及第二滑动轴承16上均安装有位移传感器，汽缸7的两侧安装有加速度传感器；本发明还包括对汽缸7两端施加激振的激振器。
在测试时，先获取汽缸7的阻抗函数矩阵Z，打开油泵，控制电机17转速在1000～4000r/min之间，激振器提供500N左右的激振力，汽缸7两端两个截面水平垂直力与振动的关系为：
其中，X1、Y1为汽缸7第一个端面x、y方向上汽缸7的绝对振动，X2、Y2为汽缸7第二个端面x、y方向上汽缸7的绝对振动，X1、Y1、X2、Y2通过加速度传感器测得，Fx、Fy为x、y方向上汽缸7的激振力，Fx1、Fy1、Fx2、Fy2为汽缸7第一个端面及第二个端面对应的汽缸7的激振力，通过选取不同的激振方式，以获取汽缸7阻抗函数矩阵内的Z11～Z44；
汽缸7在受到汽流激振力的作用时，打开进气分管阀门6，进气分管阀门6的压力为0-2MPa，X方向的激振力、Y方向的激振力为进气汽流带来的激振力，由于汽流在整个汽缸7内分布，其受到的总汽流激振力为：
通过测量汽缸7两端水平和垂直方向的转子12相对振动Wx、Wy来消除汽缸7偏摆的影响，其中，
其中，Wx1、Wy1、Wx2、Wy2为两个位移传感器测得的转子12相对振动；
转子12的动力学控制方程为：
其中，Hij＝Kij+iωCij,ω为激振频率，由于汽缸7仅受到与转子12旋转通频的汽流激振力作用，激振频率与旋转频率，则有
选取两种汽流状态以求取密封动力特性参数，其中，
则密封动力特性系数矩阵[Hij]为：
上式可以修改为：
激振力表示为：
其中，Wx1,A、Wy1,A、Wx2,A、Wy2,A、Wx1,B、Wy1,B、Wx2,B及Wy2,B由位移传感器测量得到，X1,A、Y1,A、X2,A、Y2,A、X1,B、Y1,B、X2,B及Y2,B由加速度传感器测量得到，通过实部和虚部分别获取密封刚度Kxx、Kxy、Kyx、Kyy及密封阻尼Cxx、Cxy、Cyx、Cyy。
转子12尺寸Φ120mm*1260mm；电机17可实现0～6000r/min的调速区间控制；
该实验平台的背压腔室21、工质排气/回收腔室及进气、排气回收循环***，使得实验装置增加了背压控制及气体回收循环功能，可实现二氧化碳及其他有机工质的循环利用，同时降低由于工质泄漏对工作环境产生的不利影响。在有机工质汽轮机密封结构设计时，该本发明的背压控制和工质循环装置可以提供近乎零泄漏的方案。
实验实施例暂选取压缩空气，进气压力诶1.0MPa，汽缸7内安装8组梳齿密封，进口压力/背压出口压力＝4，偏心率＝0，平均间隙为0.6mm，转速2000r/min，转子12轴振存在差异时的两组动力特性的测试结果如表1所示：
表1
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用于限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，包括汽缸(7)、支撑***(4)、底座、进气总管(5)、进气管道(1)、排气管道(3)、第一储气罐(8)、气体处理***、第二储气罐及驱动***；
汽缸(7)通过支撑***(4)固定于底座上，汽缸(7)的两端套接有轴套(9)，汽缸(7)的中间段为实验段(20)，所述实验段(20)的两侧为背压腔室(21)，所述实验段(20)设置有若干进气孔(22)，进气总管(5)通过进气管道(1)与所述进气孔(22)相连通，所述进气管道(1)上设置有进气分管阀门(6)，背压腔室(21)上设置有若干出气孔(19)，所述出气孔(19)通过排气管道(3)与第一储气罐(8)相连通，第一储气罐(8)经气体处理***与第二储气罐相连通，第二储气罐与进气总管(5)相连通，排气管道(3)上设置有压力调节阀门(2)，驱动***与实验段(20)的转子(12)相连接。
2.根据权利要求1所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，所述气体处理***包括依次相连通的压缩机、干燥机、冷却机及过滤器(13)。
3.根据权利要求1所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，所述驱动***包括电机(17)、联轴器(14)、轴承支座、润滑油箱(18)、油泵、进油管道(10)及回油管道(11)；
电机(17)的输出轴通过联轴器(14)与实验段(20)的转子(12)相连接，实验段(20)的转子(12)设置于第一滑动轴承(15)及第二滑动轴承(16)上，第一滑动轴承(15)及第二滑动轴承(16)安装于轴承支座上，润滑油箱(18)的出口经油泵及进油管道(10)与第一滑动轴承(15)及第二滑动轴承(16)的进油口相连通，第一滑动轴承(15)及第二滑动轴承(16)的出油口经回油管道(11)与润滑油箱(18)相连通。
4.根据权利要求3所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，进油管道(10)上设置有压力传感器、进油阀门及流量计。
5.根据权利要求1所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，回油管道(11)上设置有温度计。
6.根据权利要求1所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，第一滑动轴承(15)及第二滑动轴承(16)上均安装有位移传感器，汽缸(7)的两侧安装有加速度传感器。
7.根据权利要求1所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，还包括对汽缸(7)两端施加激振的激振器。
8.根据权利要求1所述的有机工质密封泄漏与动力特性测试装置，其特征在于，在测试时，先获取汽缸(7)的阻抗函数矩阵Z，打开油泵，控制电机(17)转速在1000～4000r/min之间，激振器提供500N左右的激振力，汽缸(7)两端两个截面水平垂直力与振动的关系为：
其中，X1、Y1为汽缸(7)第一个端面x、y方向上汽缸(7)的绝对振动，X2、Y2为汽缸(7)第二个端面x、y方向上汽缸(7)的绝对振动，X1、Y1、X2、Y2通过加速度传感器测得，Fx、Fy为x、y方向上汽缸(7)的激振力，Fx1、Fy1、Fx2、Fy2为汽缸(7)第一个端面及第二个端面对应的汽缸(7)的激振力，通过选取不同的激振方式，以获取汽缸(7)阻抗函数矩阵内的Z11～Z44；
汽缸(7)在受到汽流激振力的作用时，打开进气分管阀门(6)，进气分管阀门(6)的压力为0-2MPa，X方向的激振力、Y方向的激振力为进气汽流带来的激振力，由于汽流在整个汽缸(7)内分布，其受到的总汽流激振力为：
通过测量汽缸(7)两端水平和垂直方向的转子(12)相对振动Wx、Wy来消除汽缸(7)偏摆的影响，其中，
其中，Wx1、Wy1、Wx2、Wy2为两个位移传感器测得的转子(12)相对振动；
转子(12)的动力学控制方程为：
其中，Hij＝Kij+iωCij,ω为激振频率，由于汽缸(7)仅受到与转子(12)旋转通频的汽流激振力作用，激振频率与旋转频率，则有
选取两种汽流状态以求取密封动力特性参数，其中，
则密封动力特性系数矩阵[Hij]为：
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其中，Wx1,A、Wy1,A、Wx2,A、Wy2,A、Wx1,B、Wy1,B、Wx2,B及Wy2,B由位移传感器测量得到，X1,A、Y1,A、X2,A、Y2,A、X1,B、Y1,B、X2,B及Y2,B由加速度传感器测量得到，通过实部和虚部分别获取密封刚度Kxx、Kxy、Kyx、Kyy及密封阻尼Cxx、Cxy、Cyx、Cyy。
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