本發(fā)明屬于透平機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可調(diào)間隙的密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

背景技術(shù)：

在汽輪機(jī)、壓氣機(jī)、泵等透平機(jī)械中，旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封裝置安裝在靜子部件和轉(zhuǎn)子部件所形成的間隙中，控制間隙內(nèi)從高壓端向低壓端的泄漏流動(dòng)，對透平機(jī)械的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行有著顯著的影響。目前較為常用的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)有迷宮密封、蜂窩密封、孔型密封和刷式密封，而根據(jù)安裝位置不同又可分為級(jí)間密封、軸密封、葉頂密封、葉輪進(jìn)口密封和隔板密封等。旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)一般由轉(zhuǎn)子部件和密封靜子部件兩部分組成，兩者之間存在著很小的間隙。

在眾多旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封裝置中，迷宮密封由于有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低、安裝方便、密封效果好等優(yōu)點(diǎn)，目前是透平機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)密封裝置。近年來，新型阻尼密封(蜂窩密封、袋型阻尼密封、孔型密封等)和刷式密封由于它們具有十分優(yōu)良的性能也越來越受密封行業(yè)的關(guān)注。但是，旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封內(nèi)的不可避免的泄漏流動(dòng)直接對透平機(jī)械的運(yùn)行效率有著顯著的影響，因此對動(dòng)密封內(nèi)的泄漏流動(dòng)和流場可視化研究逐漸成為透平機(jī)械研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

在密封泄漏特性的實(shí)驗(yàn)研究中，往往因?yàn)閷?shí)驗(yàn)件和密封間隙的變化而需要對實(shí)驗(yàn)臺(tái)其余某些部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這大大增加了實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間；此外，隨著對密封性能研究的深入，為了在理論上分析密封的封嚴(yán)機(jī)制，因此需要對密封內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化測量，所以在密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中，還需要同時(shí)考慮對其內(nèi)部流場進(jìn)行可視化測量的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)研究中能夠?qū)γ芊饨Y(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、方便、快捷地調(diào)整間隙和更換測量結(jié)構(gòu)的要求，以及可同時(shí)進(jìn)行流場可視化測量的要求，提供了一種可調(diào)間隙的密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其能通入煙霧顆粒作為示蹤粒子，進(jìn)行流場可視化測量。這種適用于不同結(jié)構(gòu)、不同形式、不同間隙的實(shí)驗(yàn)臺(tái)大大提高了密封泄漏特性研究過程中實(shí)驗(yàn)臺(tái)的使用效率，縮短了實(shí)驗(yàn)研究時(shí)間，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種可調(diào)間隙的密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括壓氣機(jī)、流量閥、流量計(jì)前直管段、渦輪流量計(jì)、流量計(jì)后直管段、截面轉(zhuǎn)換段、整流段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段前連接段、實(shí)驗(yàn)段和實(shí)驗(yàn)段后延伸段；其中，

實(shí)驗(yàn)段包括密封齒、轉(zhuǎn)子面、觀測板和背擋板，從上游望向下游，密封齒的齒與轉(zhuǎn)子面上下相對，左側(cè)為背擋板，右側(cè)為觀測板，且背擋板和觀測板相連接，實(shí)驗(yàn)段上游與實(shí)驗(yàn)段前連接段相連，下游與實(shí)驗(yàn)段后延伸段相連；實(shí)驗(yàn)段底部的高度調(diào)節(jié)板板面與實(shí)驗(yàn)段底面平行，距實(shí)驗(yàn)段底面留有設(shè)定距離，若干個(gè)高度調(diào)節(jié)螺栓穿過高度調(diào)節(jié)板上的螺紋孔，頂部支撐在實(shí)驗(yàn)段底面上；

截面轉(zhuǎn)換段和整流段的連接處設(shè)置有整流柵網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)段前連接段上設(shè)置有總壓探頭和熱電偶，總壓探頭輸出端通過壓電轉(zhuǎn)換器連接至電子壓力表輸入端，熱電偶輸出端連接至ni采集卡輸入端。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，實(shí)驗(yàn)段的外側(cè)還設(shè)置有yag激光源、光導(dǎo)臂、片光片和ccd相機(jī)，片光片出口和ccd相機(jī)對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)段，并通過光導(dǎo)臂連接片光片和yag激光源。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，ni采集卡輸出端、yag激光源和ccd相機(jī)輸出端均通過數(shù)據(jù)連接線連接至計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，流量計(jì)后直管段上設(shè)置有煙霧發(fā)生器。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括冷卻水箱和冷卻水回流槽，冷卻水箱內(nèi)設(shè)置有冷卻水泵，冷卻水箱的冷卻水通過冷卻水泵及冷卻水管道對煙霧發(fā)生器進(jìn)行冷卻，并通過冷卻水回流槽回收冷卻后的水至冷卻水箱內(nèi)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括設(shè)置在壓氣機(jī)出氣口處的旁通閥。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，實(shí)驗(yàn)段上的觀測板上開設(shè)有透光性好的玻璃觀測視窗。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，實(shí)驗(yàn)段上的背擋板的表面上涂有啞光漆。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，收縮段的通道收縮型線為維氏曲線。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，密封齒、轉(zhuǎn)子面、觀測板與背擋板，均采用聚甲基丙烯酸甲酯材質(zhì)制成。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供了一種可調(diào)間隙的密封泄漏特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由于實(shí)驗(yàn)段并非一體構(gòu)造，而是由密封齒、轉(zhuǎn)子面、觀測板和背擋板組裝而成，故能較為方便地更換密封齒結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子面結(jié)構(gòu)，能夠廣泛應(yīng)用于對各類動(dòng)密封(迷宮密封、阻尼密封、刷式密封、高低齒密封等)的設(shè)計(jì)和性能測試研究。又由于觀測板、背擋板以及實(shí)驗(yàn)段前連接段和實(shí)驗(yàn)段后延伸段上的連接孔均為腰型孔，且實(shí)驗(yàn)段下側(cè)支撐部分為高度調(diào)節(jié)螺栓，故可方便、快捷地調(diào)整密封間隙；同時(shí)，柵網(wǎng)和整流段的設(shè)置，保證了實(shí)驗(yàn)段來流的均勻性，流量計(jì)與進(jìn)口的總壓探針和熱電偶可以精確測量進(jìn)口壓力、溫度和質(zhì)量流量參數(shù)，出口為實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，這樣便可使實(shí)驗(yàn)臺(tái)方便、經(jīng)濟(jì)地用于不同間隙、不同形式的密封結(jié)構(gòu)的泄漏特性實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)一步，由于實(shí)驗(yàn)段的外側(cè)還設(shè)置有yag激光源、光導(dǎo)臂、片光片和ccd相機(jī)，片光片出口和ccd相機(jī)對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)段，并通過光導(dǎo)臂連接片光片和yag激光源。故本發(fā)明可通過piv技術(shù)對多種密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)流場進(jìn)行可視化測量研究，為密封的封嚴(yán)機(jī)制進(jìn)行理論分析和工程設(shè)計(jì)高性能密封裝置提供流場結(jié)構(gòu)的可視化結(jié)果。

進(jìn)一步，由于煙霧發(fā)生器安裝在流量計(jì)后直管段上，距實(shí)驗(yàn)段較遠(yuǎn)，有利于煙霧顆粒混合均勻，提高流場可視化測量結(jié)果。

進(jìn)一步，由于ni采集卡、yag激光源和ccd相機(jī)都連到同一計(jì)算機(jī)上，故可將溫度數(shù)據(jù)采集、piv流場拍攝控制以及流場數(shù)據(jù)的后處理集成到同一平臺(tái)上，方便數(shù)據(jù)的采集和整理。

進(jìn)一步，由于壓氣機(jī)出口支路接有旁通閥，故可調(diào)整旁通閥使實(shí)驗(yàn)臺(tái)在較大工況范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行，而不會(huì)造成壓氣機(jī)工況變化過大，避免了喘振等危險(xiǎn)發(fā)生。

進(jìn)一步，雖然煙霧發(fā)生器出口溫度很高，但因裝有冷卻系統(tǒng)，從而避免了連接處密封膠融化而導(dǎo)致的泄漏問題，又使實(shí)驗(yàn)臺(tái)可較長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

進(jìn)一步，由于背擋板上涂有啞光漆，觀測板上開有透光性好的玻璃觀測視窗，故可最大限度減小了在流場可視化測量中，光的反射和折射帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

進(jìn)一步，由于收縮段的通道型線為韋氏曲線，故根據(jù)風(fēng)動(dòng)設(shè)計(jì)原理，該收縮段能使氣體在收縮流動(dòng)中保持很好的層流性和穩(wěn)定性，避免壁面分離，減小實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口湍流強(qiáng)度。

進(jìn)一步，由于密封齒、轉(zhuǎn)子面、觀測板與背擋板均采用聚甲基丙烯酸甲酯材質(zhì)制成。該種材料為透明材料，可使激光射入，完成流場可視化測量。且此種材料能承受較大壓力而又質(zhì)量較輕，故在滿足較寬工況范圍的同時(shí)可更為方便地?cái)y帶、安裝、拆卸、更換與調(diào)整實(shí)驗(yàn)段。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)段組裝圖(以階梯式迷宮密封為例)；

圖3a是本發(fā)明的間隙調(diào)整示意圖(以階梯式迷宮密封為例)，圖3b為密封齒的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3c為轉(zhuǎn)子面的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3d為觀測板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3e為背擋板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a是本發(fā)明的收縮段子午面剖視圖，圖4b是圖4a的a-a向剖視圖，圖4c是圖4a的b-b向剖視圖；

圖5是本發(fā)明的煙霧發(fā)生器連接處示意圖；

圖6是本發(fā)明的煙霧發(fā)生器冷卻水循環(huán)示意圖；

圖7是本發(fā)明的piv拍攝示意圖。

圖中：1為壓氣機(jī)；2為旁通閥；3為流量閥；4為流量計(jì)前直管段；5為渦輪流量計(jì)；6為流量計(jì)后直管段；7為截面轉(zhuǎn)換段；8為整流柵網(wǎng)；9為整流段；10為收縮段；11為實(shí)驗(yàn)段前連接段；12為總壓探針；13為壓電轉(zhuǎn)換器；14為電子壓力表；15為熱電偶；16為ni采集卡；17為密封齒；18為轉(zhuǎn)子面；19為觀測板；20為背擋板；21為實(shí)驗(yàn)段后延伸段；22為高度調(diào)節(jié)板；23為高度調(diào)節(jié)螺栓；24為煙霧發(fā)生器；25為冷卻水箱；26為冷卻水泵；27為冷卻水管道；28為冷卻水回流槽；29為yag激光源；30為光導(dǎo)臂；31為片光片；32為ccd相機(jī)；33為計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參照圖1，本發(fā)明提供的一種可調(diào)間隙的密封泄漏特性和流場可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括壓氣機(jī)1、旁通閥2、流量閥3、流量計(jì)前直管段4、渦輪流量計(jì)5、流量計(jì)后直管段6、截面轉(zhuǎn)換段7、整流柵網(wǎng)8、整流段9、收縮段10、實(shí)驗(yàn)段前連接段11、總壓探針12、壓電轉(zhuǎn)換器13、電子壓力表14、熱電偶15、ni采集卡16、密封齒17、轉(zhuǎn)子面18、觀測板19、背擋板20、實(shí)驗(yàn)段后延伸段21、高度調(diào)節(jié)板22、調(diào)節(jié)螺栓23、煙霧發(fā)生器24、冷卻水箱25、冷卻水泵26、冷卻水管道27、冷卻水回流槽28、yag激光源29、光導(dǎo)臂30、片光片31、ccd相機(jī)32和計(jì)算機(jī)33。

將流量閥3、流量計(jì)前直管段4、渦輪流量計(jì)5與流量計(jì)后直管段6通過螺栓和法蘭依次連接，并固定于流量計(jì)支架上。然后通過管道將流量閥上游連接到壓氣機(jī)氣源上1，將流量計(jì)后直管段6通過法蘭連接到截面轉(zhuǎn)換段7，從而將流道截面由圓形轉(zhuǎn)換為方形，在其下游通過方形法蘭依次連接整流柵網(wǎng)8、整流段9與收縮段10。將實(shí)驗(yàn)段前連接段11通過螺栓固定連接在實(shí)驗(yàn)段支架上，然后將其上游與收縮段10相連。將總壓探針12與熱電偶15通過螺紋孔固定在實(shí)驗(yàn)段前連接段11上，并將總壓探針12通過橡膠管連接到壓電轉(zhuǎn)換器13上，再由數(shù)據(jù)連接線連接到電子壓力表14上顯示其壓力讀數(shù)，熱電偶15連接到ni采集卡16采集其溫度值，再由數(shù)據(jù)連接線連接到計(jì)算機(jī)33上，實(shí)時(shí)讀取溫度數(shù)據(jù)。將高度調(diào)節(jié)板22固定到實(shí)驗(yàn)段支架上，然后將四根高度調(diào)節(jié)螺栓23通過高度調(diào)節(jié)板22上的螺紋孔連接。將密封齒17、轉(zhuǎn)子面18、觀測板19、背擋板20組裝為實(shí)驗(yàn)段，放置于四根高度調(diào)節(jié)螺栓23頂部所形成的平面上。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段的高度，用螺栓穿過前連接段面11上的腰形孔與實(shí)驗(yàn)段連接。實(shí)驗(yàn)段后延伸段21固定在實(shí)驗(yàn)段支架上，并通過螺栓與實(shí)驗(yàn)段相連接。

將煙霧發(fā)生器24固連在流量計(jì)后直管段6上，然后將冷卻水箱25與冷卻水泵26放置在煙霧發(fā)生器24下方，冷卻水管道27一頭連接冷卻水泵出口，一頭固定在需要冷卻的煙霧發(fā)生器24連接處上方，管口方向向下，使冷卻水不斷冷卻連接處。再將回流槽固定在連接處下方，并將其一端向下連接到水箱25。

將片光片31固定在三腳架上，并將片光片出口對準(zhǔn)密封齒17或轉(zhuǎn)子面18(根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)段密封的型式)，使片光平行于觀測板19。然后再用光導(dǎo)臂30將片光片31和yag激光源29相連接，將ccd相機(jī)32對準(zhǔn)觀測板19，并使其與片光面垂直，再用數(shù)據(jù)連接線將ccd相機(jī)32連接到計(jì)算機(jī)33上。

其中，觀測板19、背擋板20、實(shí)驗(yàn)段前連接段11與實(shí)驗(yàn)段后延伸段21，它們的特征是其面上與密封齒17及轉(zhuǎn)子面18相連接的通孔為腰形孔，這樣便可在不改變其它部件的情況下，通過松動(dòng)連接螺栓使密封齒17上下移動(dòng)，然后用高度調(diào)節(jié)螺栓23來調(diào)節(jié)間隙尺寸，調(diào)整好間隙尺寸后再重新緊固螺栓并密封連接面邊界。觀測板19的特征是其面上開有透光性良好的玻璃觀測視窗，從而減小因反射帶來的測量誤差；背擋板20的特征是其面上涂有啞光漆，從而減小piv流場可視化測量中因激光反射或其余光源干擾帶來的測量誤差；收縮段10的特征是通道收縮型線為維氏曲線；密封齒17、轉(zhuǎn)子面18、觀測板19與背擋板20，它們的特征為所用材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯。

參見圖1，本發(fā)明的在截面轉(zhuǎn)換段7前的流道截面形狀為圓形(由流量計(jì)決定)，在截面轉(zhuǎn)換段7后的流道截面形狀為矩形(由實(shí)驗(yàn)段截面形狀決定)。渦輪流量計(jì)5與流量計(jì)前直管段4、流量計(jì)后直管段6以及流量閥3均通過法蘭連接，軸心保持一致，由于流道由圓轉(zhuǎn)方的過程中可能導(dǎo)致流體壁面分離流動(dòng)，使湍流強(qiáng)度增大，故必須在截面轉(zhuǎn)換段7后安裝整流柵網(wǎng)8與整流段9，以得到穩(wěn)定均勻的來流。

參見圖2，本發(fā)明在整流段9與實(shí)驗(yàn)段之間采用的收縮段10為維氏曲線收縮段，收縮段進(jìn)出口截面均為矩形，且橫向?qū)挾炔蛔?，高度縮小。其收縮曲線型線方程為：

其中，r為通道出口高度的一半，以通道中心線為y軸0點(diǎn)；ξ為進(jìn)出口收縮比，流道截面橫向長度不變，故截面收縮比等于進(jìn)出口縱向長度之比，收縮比一般為8～10；η為長徑比，為收縮段長度與進(jìn)口縱向長度比，一般取1.3～-1.5。這種形狀的收縮曲線已被研究證明能避免流動(dòng)分離，極好地保持來流的均勻穩(wěn)定。

參見圖3a至圖3e，本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)段由密封齒17、轉(zhuǎn)子面18、觀測板19和背擋板20通過螺栓組裝而成，組裝成的實(shí)驗(yàn)段流道截面形狀為矩形。觀測板19和背擋板20上的通孔為腰形孔，這樣可允許密封齒和轉(zhuǎn)子面進(jìn)行豎直方向調(diào)整。整個(gè)實(shí)驗(yàn)段均是采用聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)加工而成，觀測板19上用白玻璃制作觀測視窗，減少因有機(jī)玻璃透光性不強(qiáng)帶來的誤差，背擋板20整體涂上啞光黑漆，防止因反射引起的測量誤差。圖中的密封齒17為迷宮密封齒，實(shí)際應(yīng)用中還可更換為指尖密封、彈性密封等其它密封結(jié)構(gòu)。圖中轉(zhuǎn)子面18為階梯式面，實(shí)際應(yīng)用中還可更換為直通式面、蜂窩面和孔型面等其它結(jié)構(gòu)。

參見圖4a至圖4c，實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝好后，若需調(diào)整密封間隙，只需先松弛實(shí)驗(yàn)段前連接段11、實(shí)驗(yàn)段后延伸段21、觀測板19和背擋板20上的固定螺栓，由于這四部分上的連接通孔均為腰型孔，故可使密封齒17或轉(zhuǎn)子面18在一定范圍內(nèi)上下移動(dòng)。高度調(diào)節(jié)螺栓23呈矩形排列，在起到支撐實(shí)驗(yàn)段作用的同時(shí)可以通過旋鈕的方式控制密封齒17或轉(zhuǎn)子面18在豎直方向移動(dòng)，從而達(dá)到改變密封間隙值的目的，密封間隙的變化范圍主要受到腰型孔長度限制。其中高度調(diào)節(jié)板22固定在實(shí)驗(yàn)段支架上，通過螺紋通孔和高度調(diào)節(jié)螺栓23連接。

參見圖5，煙霧發(fā)生器24與流量計(jì)后直管段6之間用內(nèi)螺紋連接套連接，煙霧發(fā)生器出口壓力高于管道內(nèi)壓力，因此能將煙霧粒子布散到實(shí)驗(yàn)氣體中而成為示蹤粒子。由于在a、b兩個(gè)環(huán)面處可能發(fā)生泄漏，因此必須在這兩處用密封膠進(jìn)行密封。由于煙霧發(fā)生器24的發(fā)煙原理是通過將煙油在高溫高壓的情況下氣化，然后由噴嘴噴出重新冷凝為液滴，因此發(fā)煙器出口的溫度極高，在與實(shí)驗(yàn)管道的封閉連接處的溫度往往會(huì)高于普通金屬能承受的溫度，易導(dǎo)致密封膠融化與金屬變形，造成較大泄漏，因此必須加裝冷卻裝置對內(nèi)螺紋連接套前后部分進(jìn)行冷卻。

參見圖6，冷卻系統(tǒng)由冷卻水箱25、冷卻水泵26、冷卻水管道27和冷卻水回流槽28組成。冷卻水箱25安裝在待冷卻位置下方，冷卻水泵26安裝在冷卻水箱25底部，通過冷卻水管道27將水運(yùn)輸?shù)酱鋮s位置上方，然后以沖淋的方式進(jìn)行冷卻，冷卻后的水沿冷卻水回流槽28重新流回到水箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明此種冷卻方式能將連接處的溫度有效控制在40攝氏度以下，并對噴出煙霧濃度影響極小。

參見圖7，圖中yag激光源29通過光導(dǎo)臂30連接到片光片31，調(diào)節(jié)激光使得激光片光與待測面重合，然后使ccd相機(jī)32的鏡頭法向方向垂直于激光面，這樣就可以捕捉到煙霧顆粒散射的激光，得到某一時(shí)刻煙霧顆粒在觀測面上的分布。在極短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝兩張這樣的圖片，通過相關(guān)算法便可以得到圖中每一個(gè)粒子在拍攝時(shí)刻的速度矢量，從而得到觀測面上的流體速度矢量分布云圖。