專利名稱：一種氣體密封實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及氣體端面機械密封實驗技術領域，具體涉及用于檢測各類氣體端面密封的端面氣體泄漏率和氣膜厚度的密封實驗裝置及方法。
背景技術：
機械密封是防止旋轉式流體機械軸端泄漏的主要手段，其中干式氣體端面密封由于具有功耗低、工作壽命較長、泄漏量小甚至零泄漏等突出優點，在石化、天然氣等行業的應用越來越廣，是大型壓縮機和特殊介質泵等旋轉式流體機械軸端密封的首選形式，在反應釜上應用也越來越廣泛。
隨著干氣密封的廣泛應用，形成統一的干氣密封優化設計準則就顯得尤為重要， 但是到目前為止尚沒有公開文獻系統闡述干氣密封的統一設計理論與方法，這不僅形成了干氣密封設計理論的盲區，而且不利于干氣密封新產品的開發，在一定程度上阻礙了干氣密封的發展和應用。在設計理論不完善的情況下，通過實驗的方法進行干氣密封的性能研究和產品開發是一條十分有效的途徑，這對理論研究結果的驗證、密封結構的優化和產品的小試具有重要意義。
泄漏率和端面氣膜厚度是反映干氣密封性能的兩個重要參數。目前干氣密封泄漏率的測量基本上是采用在實驗密封的靜環側增加一個腔體用于收集泄漏氣體然后再測量氣體流量的方法，使用這種測量方法測量氣體泄漏率時，氣體要先充滿收集泄漏氣體的腔體，然后流量計才可以測量到，這樣對泄漏量的測量就有一定的時間延遲，影響密封啟動階段泄漏率的測量。
電渦流傳感器由于靈敏度高、可以實現非電觸測量等優點而廣泛應用于氣體密封實驗裝置中氣膜厚度的測量。由于電渦流傳感器的作用對象必須是金屬導體，這就大大限制了非金屬材料密封端面氣膜厚度的測量，同時被測表面的面積應該大于電渦流傳感器直徑的1.83倍，當密封環較窄時其使用也受到限制。目前常見的電渦流傳感器的安裝方法是在靜環上打孔，將電渦流傳感器裝在孔內，如果打通孔則會影響端面工作狀態，如果打盲孔則電渦流傳感器與動環端面間的密封環材料將會影大大影響傳感器的靈敏度。另外由于密封面存在一定的周向波度，這種安裝方法會使測量的結果包含有周向波度，端面氣膜厚度為微米級與表面粗糙度為同一數量級，而表面波度大于粗糙度，故測量結果存在較大誤差。發明內容
為克服現有氣密封泄漏率和氣膜厚度的測量設備的上述不足，降低由于設計不當造成的經濟損失，本發明提供一種可在線測量各類氣體端面密封的端面氣體泄漏率和氣膜厚度、氣體泄漏率的測量方法簡單易行、動態響應好、氣膜厚度的測量不受密封環材質、端面寬度和密封環面波度的影響的氣體密封實驗裝置及方法。
本發明所采用的技術方案是
一種氣體密封實驗裝置，包括密封腔、驅動系統、供氣回路和測試系統，其特征在3于所述密封腔通過螺釘豎直固定在支架上，所述密封腔包含位于密封腔上部的實驗密封和位于密封腔下部的輔助密封，實驗密封動環和輔助密封動環均安裝在動環座上，動環座通過緊定螺釘固定在軸套上，所述實驗密封靜環通過銷釘與端蓋相連，端蓋通過螺釘與密封腔連接在一起，所述輔助密封靜環通過銷釘與密封腔相連，所述密封腔上設置有進氣口和出氣口，所述密封腔上安裝有防護罩；所述驅動系統包括電機、聯軸器、軸承箱、轉軸，所述電機通過螺釘固定在支架上，所述電機和所述轉軸通過所述的聯軸器相連，所述軸承箱通過轉軸設置在聯軸器上方；所述供氣回路包括壓縮機、氣壓管、調壓閥，所述壓縮機通過氣壓管與密封腔的進氣口相連，所述氣壓管上設置有所述調壓閥；所述的測試系統包括電渦流傳感器、動環定位片、流量計和壓力傳感器，所述電渦流傳感器和流量計均安裝于所述實驗密封靜環上，所述動環定位片安裝在實驗密封動環上，所述壓力傳感器與所述密封腔相連。
進一步，本發明所述的測試系統還包括計算機，所述計算機與所述驅動系統中的電機相連。
本發明所述實驗密封的密封靜環上裝有上靜環定位片和下靜環定位片，所述上靜環定位片和下靜環定位片通過螺釘相連，與實驗密封靜環固定在一起，所述上靜環定位片上設置有氣動接頭，所述氣壓管的一端連在氣動接頭上，另一端與流量計相連，所述動環定位片和所述實驗密封動環通過粘合劑粘在一起。
本發明所述動環定位片外側有定位凸堰，所述定位凸堰上周向均勻分布有多個阻尼孔，所述阻尼孔為通孔。
一種氣體密封實驗裝置的測量方法，其特征在于所述方法按照如下步驟進行
(1)膜厚測量方法實驗前先調整電渦流傳感器的初始位置，實驗過程中實驗密封動環離開實驗密封靜環一定距離，此時電渦流傳感器可以測得動環定位片的位置變化量，那么實驗密封靜環和實驗密封動環之間的氣膜厚度即為動環定位片的位置變化量；
(2)泄漏率測量方法當實驗密封靜環和實驗密封動環相分離時，密封介質氣體沿實驗密封靜環和實驗密封動環之間的縫隙由外徑處向內徑處泄漏，由于上靜環定位片和實驗密封靜環之間間隙有0型密封圈密封，故泄漏的氣體只沿著氣動接頭和氣壓管泄漏， 氣壓管又與流量計相連，那么流量計測得的氣體流量即為實驗密封靜環和實驗密封動環之間的端面氣體泄漏率。
進一步，本發明所述的輔助密封靜環是一種孔槽結合的端面密封。
本發明所述的輔助密封靜環外徑處加工有柳葉形微孔環帶，內徑處加工有螺旋槽-圓孔環帶。
本發明所述的電渦流傳感器、流量計、壓力傳感器測得的信號均通過數據采集和轉換后傳輸到計算機，氣膜厚度、端面氣體泄漏率和密封腔內氣體壓力數值都可在計算機上顯不。
本發明的工作原理是密封腔、軸承箱和電機通過螺釘固定在支架上，電機通過聯軸器帶動轉軸旋轉，電機的轉速可通過計算機調節或手動調節，轉軸靠軸承箱內的一對圓錐滾子軸承支撐。密封腔內裝有兩套密封一套是位于密封腔下部的輔助密封，主要用于防止密封腔內的氣體泄漏；另一套是實驗密封，除用于密封氣體外，還作為實驗的試件，實驗中測量的密封端面氣膜厚度和氣體泄漏率均為該密封的密封性能參數。壓縮機通過密封腔的進氣口向密封腔內提供一定壓力的氣體，氣體壓力通過手動調節氣壓管路上的調壓閥控制，密封腔上還裝有一個壓力傳感器，密封腔內的氣體壓力可在計算機上實時顯示。實驗時，動環座可帶動實驗密封和輔助密封的動環隨轉軸一起旋轉，在端面氣膜壓力作用下密封動環端面和靜環端面之間會分開一定距離，該距離即為密封端面間的氣膜厚度，實驗密封動環和靜環間的氣膜厚度可由固定在上靜環定位片上的電渦流傳感器測得，電渦流傳感器的作用對象為粘貼在實驗密封動環上的動環定位片，通過動環定位片的位置變化量反映實驗密封端面間的氣膜厚度。通過實驗密封端面泄漏的氣體經過安裝于上靜環定位片上的氣動接頭流入氣壓管，氣壓管與流量計相連，測得的流量即為端面氣體泄漏率。電渦流傳感器和流量計測得的數據通過轉換可在計算機上實時顯示。
本發明所述動環定位片外側有定位凸堰，定位凸堰上呈圓心中心均勻分布有多個阻尼孔，阻尼孔為通孔。定位凸堰用于定位動環定位片粘結在實驗密封動環上時的定位。實驗測量過程中，由于動環0型圈的密封作用，動環定位片與軸套之間形成一個封閉氣腔，腔內氣體只能通過動環定位片上的阻尼通孔流動，從而構成一個阻尼減震器，減弱軸套轉動時實驗密封動環的軸向振動，保持實驗密封動環和靜環間氣膜厚度的穩定性，實現密封氣膜厚度的穩定測量。
本發明中輔助密封為一種孔槽結合的耐磨損、零泄漏機械端面密封，靜環端面外徑處加工有“柳葉形”微孔環帶，“柳葉形”微孔組包括徑向的供氣槽以及在供氣槽左右側分布的方向性微孔，微孔在半徑方向上至少有三列；內徑處加工有“螺旋槽-圓孔”環帶，螺旋槽之間的密封堰上分布有一定數量的圓形微孔。無論旋轉軸正向旋轉或是逆向旋轉，“柳葉形”微孔環帶都可以使動靜環密封端面之間形成連續穩定的流體膜，而且流體膜的承載能力和剛度較大，這樣當實驗密封需要雙向旋轉時，輔助密封亦可滿足要求。內徑處螺旋槽傾斜方向與外徑處微孔傾斜方向相反，不僅可以增加動壓效應，而且實現下游流體沿螺旋槽傾斜方向的向上游泵送，實現零泄漏，這樣就可以防止實驗過程中輔助密封泄漏率過大造成密封腔內壓力下降或達不到預定壓力。同時由于氣體密封啟動階段端面為邊界潤滑或混合潤滑，密封端面易產生磨粒，而外徑處的傾斜微孔及內徑處螺旋槽密封堰上的圓形微孔可以吸納端面間的微粒進一步提高了密封端面的耐磨性，使得密封低壓條件下啟停效果好、耐磨損，可以滿足密封實驗臺頻繁啟動的需求。
由于本發明中泄漏氣體直接進入與流量計相連的氣壓管，省去了用于收集泄漏氣體的腔體，泄漏率的測量延遲時間較短，動態響應較好。電渦流傳感器的作用對象是金屬動環定位片，這樣無論密封環材質是否為金屬，均可由電渦流傳感器測得密封端面的氣膜厚度；同時，在旋轉過程中，動環端面各點處的表面特征對膜厚測量的影響不盡相同，唯有密封環端面回轉中心不受表面波度的影響，該點處的測量結果可代表端面平均膜厚，由本發明中電渦流傳感器的作用位置是動環定位片的中心，也就是動環的旋轉中心，那么膜厚的測量結果可以不受密封面波度的影響。
本發明的有益效果是
1.可在線測量各類氣體端面密封的端面氣體泄漏率和氣膜厚度；
2.壓力和轉速可調，可測量不同密封壓力及轉速下的氣體端面密封的密封性能；
3.氣體泄漏率的測量方法簡單易行、動態響應好；
4.氣膜厚度的測量不受密封環材質、端面寬度和密封環面波度的影響，適用范圍廣、測量精度高。


圖1是本發明氣體密封實驗裝置的整體結構示意圖。
圖2是本發明氣體密封實驗裝置的測量原理圖。
圖3是本發明氣體密封實驗裝置的動環定位片結構示意圖。
圖4是本發明氣體密封實驗裝置的輔助密封靜環端面結構示意圖。
具體實施方式
參照圖1、圖2、圖3和圖4，本發明的氣體密封實驗裝置，包括密封腔11、驅動系統、供氣回路和測試系統，特點是所述密封腔U通過螺釘豎直固定在支架12上，所述密封腔11包含位于密封腔上部的實驗密封和位于密封腔下部的輔助密封，實驗密封動環6和輔助密封動環9均安裝在動環座8上，動環座8通過緊定螺釘固定在軸套7上，實驗密封動環 6與軸套7之間安裝有0型密封圈32，實驗密封靜環5通過銷釘與端蓋3相連，端蓋3通過螺釘與密封腔11連接在一起，所述輔助密封靜環10通過銷釘與密封腔11連接在一起，所述密封腔11上有進氣口 23和出氣口 4，所述密封腔11上安裝有防護罩2 ；所述驅動系統包括電機16、聯軸器15、軸承箱13、轉軸14，所述電機16通過螺釘固定在支架12上，所述電機16和所述轉軸14通過所述的聯軸器15相連，所述軸承箱13通過轉軸14設置在聯軸器 15上方；所述供氣回路包括壓縮機19、氣壓管17、調壓閥18、22，所述壓縮機19通過氣壓管 17與密封腔11的進氣口 23相連，所述氣壓管17上設置有所述調壓閥18、22 ；所述的測試系統包括電渦流傳感器25、流量計1和壓力傳感器21，所述電渦流傳感器25和流量計1均安裝于所述實驗密封靜環5上，所述壓力傳感器21與所述密封腔11相連。
進一步，本發明所述的測試系統還包括計算機20，所述計算機20與所述驅動系統中的電機16相連。
本發明所述實驗密封靜環5上裝有上靜環定位片觀和下靜環定位片30，所述上靜環定位片觀和下靜環定位片30通過螺釘27相連，與實驗密封靜環5固定在一起，所述上靜環定位片觀和實驗密封靜環5之間的安裝間隙由0型圈四密封，所述上靜環定位片觀上設置有氣動接頭25，所述氣壓管M的一端連在氣動接頭25上，另一端與流量計1相連， 所述動環定位片31和所述實驗密封動環6通過粘合劑粘在一起。
進一步，本發明所述動環定位片31外側有定位凸堰31a，定位凸堰上周向均勻分布有多個阻尼孔31b，阻尼孔31b為通孔。
一種氣體密封實驗裝置的測量方法，特點是所述方法按照如下步驟進行
(1)膜厚測量方法實驗前先調整電渦流傳感器沈的初始位置，實驗過程中實驗密封動環6離開實驗密封靜環5 —定距離，由于動環定位片31和實驗密封動環6粘合固定， 此時電渦流傳感器26可以測得動環定位片31的位置變化量，那么實驗密封靜環5和實驗密封動環6之間的氣膜厚度即為動環定位片31的位置變化量。
(2)泄漏率測量方法當實驗密封靜環5和實驗密封動環6相分離時，密封介質氣體沿實驗密封靜環5和實驗密封動環6之間的縫隙由外徑處向內徑處泄漏，由于上靜環定位片28和實驗密封靜環5之間間隙有0型密封圈四密封，故氣體只沿著氣動接頭25和氣壓管M泄漏，氣壓管M又與流量計1相連，那么流量計1測得的氣體流量即為實驗密封靜環5和實驗密封動環6之間的端面氣體泄漏率。
進一步，本發明所述的輔助密封靜環10是一種孔槽結合的端面密封。
本發明所述的輔助密封靜環10外徑處加工有柳葉形微孔環帶10a，內徑處加工有螺旋槽-圓孔環帶10b。
電渦流傳感器沈、流量計1、壓力傳感器21測得的信號均通過數據采集和轉換后傳輸到計算機20，使得實驗中測得的端面氣膜厚度、端面氣體泄漏率和密封腔內氣體壓力數值都可在計算機20上實時顯示。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍的不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
1.一種氣體密封實驗裝置，包括密封腔、驅動系統、供氣回路和測試系統，其特征在于 所述密封腔通過螺釘豎直固定在支架上，所述密封腔包含位于密封腔上部的實驗密封和位于密封腔下部的輔助密封，實驗密封動環和輔助密封動環均安裝在動環座上，動環座通過緊定螺釘固定在軸套上，所述實驗密封靜環通過銷釘與端蓋相連，端蓋通過螺釘與密封腔連接在一起，所述輔助密封靜環通過銷釘與密封腔相連，所述密封腔上設置有進氣口和出氣口，所述密封腔上安裝有防護罩；所述驅動系統包括電機、聯軸器、軸承箱、轉軸，所述電機通過螺釘固定在支架上，所述電機和所述轉軸通過所述的聯軸器相連，所述軸承箱通過轉軸設置在聯軸器上方；所述供氣回路包括壓縮機、氣壓管、調壓閥，所述壓縮機通過氣壓管與密封腔的進氣口相連，所述氣壓管上設置有所述調壓閥；所述的測試系統包括電渦流傳感器、動環定位片、流量計和壓力傳感器，所述電渦流傳感器和流量計均安裝于所述實驗密封靜環上，所述動環定位片安裝在實驗密封動環上，所述壓力傳感器與所述密封腔相連。
2.根據權利要求1所述的氣體密封實驗裝置，其特征在于所述的測試系統還包括計算機，所述計算機與所述驅動系統中的電機相連。
3.根據權利要求1所述的氣體密封實驗裝置，其特征在于所述實驗密封的密封靜環上裝有上靜環定位片和下靜環定位片，所述上靜環定位片和下靜環定位片通過螺釘相連， 與實驗密封靜環固定在一起，所述上靜環定位片上設置有氣動接頭，所述氣壓管的一端連在氣動接頭上，另一端與流量計相連，所述動環定位片和所述實驗密封動環通過粘合劑粘在一起。
4.根據權利要求1所述的氣體密封實驗裝置，其特征在于所述動環定位片外側有定位凸堰，所述定位凸堰上周向均勻分布有多個阻尼孔，所述阻尼孔為通孔。
5.一種氣體密封實驗裝置的測量方法，其特征在于所述方法按照如下步驟進行(1)膜厚測量方法實驗前先調整電渦流傳感器的初始位置，實驗過程中實驗密封動環離開實驗密封靜環一定距離，此時電渦流傳感器可以測得動環定位片的位置變化量，那么實驗密封靜環和實驗密封動環之間的氣膜厚度即為動環定位片的位置變化量；(2)泄漏率測量方法當實驗密封靜環和實驗密封動環相分離時，密封介質氣體沿實驗密封靜環和實驗密封動環之間的縫隙由外徑處向內徑處泄漏，由于上靜環定位片和實驗密封靜環之間間隙有0型密封圈密封，故泄漏的氣體只沿著氣動接頭和氣壓管泄漏，氣壓管又與流量計相連，那么流量計測得的氣體流量即為實驗密封靜環和實驗密封動環之間的端面氣體泄漏率。
6.如權利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的輔助密封靜環是一種孔槽結合的端面密封。
7.如權利要求6所述的測量方法，其特征在于所述的輔助密封靜環外徑處加工有柳葉形微孔環帶，內徑處加工有螺旋槽-圓孔環帶。
全文摘要
本發明公開了一種氣體密封實驗裝置，包括密封腔、驅動系統、供氣回路和測試系統，特點是所述密封腔通過螺釘豎直固定在支架上，所述驅動系統包括電機、聯軸器、軸承箱、轉軸，所述電機通過螺釘固定在支架上，所述電機和所述轉軸通過所述的聯軸器相連；所述供氣回路包括壓縮機、氣壓管、調壓閥，所述壓縮機通過氣壓管與密封腔的進氣口相連，所述的測試系統包括電渦流傳感器、動環定位片、流量計和壓力傳感器。本發明可在線測量各類氣體端面密封的端面氣體泄漏率和氣膜厚度，氣體泄漏率的測量方法簡單易行、動態響應好，氣膜厚度的測量不受密封環材質、端面寬度和密封環面波度的影響，實驗過程中轉速和壓力可調。
文檔編號G01B7/06GK102507103SQ201110306190
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者孟祥鎧, 彭旭東, 李紀云, 柏林清, 白少先, 盛頌恩 申請人:浙江工業大學