一种用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置

摘要

本发明公开了一种用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置；包括密封腔、主轴、驱动轴以及水槽；主轴贯穿密封腔；驱动轴上设导电滑环组件，驱动轴通过电阻应变式测力计与主轴相连，电阻应变式测力计与导电滑环组件信号相连；主轴设置有密封转动件；相对应于密封转动件的位置，设置与密封转动件形成间隙泄漏流道的密封定子，密封定子上设置有出口管，出口管与水槽相连通，水槽设有电阻应变式称重传感器；密封转动件的主轴上设置有预旋轴套；预旋轴套的外壁面设置有螺旋槽，螺旋槽随主轴转动时旋进方向指向环形流道出口端，螺旋槽槽深至少为环形流道径向尺寸的1/3，环形流道的径向尺寸至少为间隙泄漏流道径向尺寸的10倍；密封腔设流道入口。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置，适用于水轮机、多 级离心泵等水力设备内叶轮口环、级间密封、平衡鼓及节流衬套等密封结构的泄漏量及密 封流道内密封流体力的大小，尤其涉及操作工况中入口预旋效应较为明显的阻尼密封的测 试。

背景技术

上世纪60年代，Lomakin提出高速状态下两端压差较大的离心泵密封环内的密封力 对轴系动力学性能及稳定性具有重要影响，随后国外Black、Childs等人对光滑密封环内密 封力做了相关理论推导及实验研究。80年代末，Nordman提出通过在密封定子或转子密封 面上开槽或钻孔等方式形成的阻尼密封，如迷宫密封、螺旋迷宫密封、蜂窝密封等，与相 同几何尺寸的光滑密封环相比，相同工况下有利于降低密封泄漏量，且其密封间隙内密封 力有利于提高轴系稳定性。由于阻尼密封结构复杂，形式及几何尺寸多样，理论研究并不 能很好的对其工作状态下的密封力大小进行预测，因此，建立一套具有普遍适用性的精确 测定不同类型及尺寸的阻尼密封不同工况下密封力的大小具有重要意义。

所谓预旋效应，即密封环间隙入口处流体周向速度大小影响间隙内流体的速度分布及 压力分布，进而对密封力有较大影响。在高压多级离心泵中，由于尺寸及结构限制并不能 对其密封环预旋强度单独进行分析比较，因此需要建立一套较为方便地调整不同预旋强度 的密封力测定装置，实现预旋效应对密封力影响的分析研究，具有十分重要的意义。

因此，在保证水力机械水力效率满足要求的前提下，尽量增大阻尼密封对设备动力学 性能稳定性的有利影响，就需要对各种操作工况下不同结构及几何尺寸下的阻尼密封的泄 漏量及密封流道内密封流体力的大小及其变化趋势进行测试。为此，工程设计人员希望设 计出一套具有良好通用性的测试装置，可针对不同操作工况、不同长径比、不同结构形式、 不同几何参数等情况测量得到密封泄漏量及密封流道内密封流体力的大小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的用于研究阻尼密封预旋效应的密封 力测试装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装 置，包括通过入口端盖和导流端盖组成的密封腔、主轴、驱动轴以及水槽；所述主轴贯穿 密封腔；所述驱动轴上设置有导电滑环组件，所述驱动轴的右端通过电阻应变式测力计与 主轴的左端相连，所述电阻应变式测力计与导电滑环组件信号相连；所述主轴的最右端设 置有密封转动件；相对应于密封转动件的位置，在导流端盖上设置有与密封转动件形成间 隙泄漏流道的密封定子，密封定子上设置有出口管，所述出口管与水槽相连通，所述水槽 的下端设置有电阻应变式称重传感器；所述密封转动件左侧的主轴上设置有与导流端盖形 成环形流道的预旋轴套；所述预旋轴套的外壁面设置有螺旋槽，螺旋槽随主轴转动时旋进 方向指向环形流道出口端，螺旋槽槽深至少为环形流道径向尺寸的1/3，所述环形流道的 径向尺寸至少为间隙泄漏流道径向尺寸的10倍；所述入口端盖环向设有1个流道入口。

作为对本发明所述的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的改进：所述电阻 应变式测力计上还设置有测力计保护罩；所述测力计保护罩上设置有数据导线引出孔；所 述电阻应变式测力计通过导线引出孔引出数据导线，所述数据导线与导电滑环组件相连 接。

作为对本发明所述的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的进一步改进：所 述电阻应变式测力计包括两个变形筋固定盘、四根矩形变形筋及三十六片电阻应变片；所 述两个变形筋固定盘之间均匀分布四根矩形变形筋，所述的每根矩形变形筋上分别设置九 片电阻应变片；所述一端的变形筋固定盘与驱动轴固定连接，所述另外一端的变形筋固定 盘与主轴固定连接；所述测力计保护罩与一侧的变形筋固定盘相互固定，所述三十六片电 阻应变片与数据导线相互连接。

作为对本发明所述的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的进一步改进：所 述导电滑环组件包括机座、导电滑环动环和导电滑环静环；所述导电滑环动环套装在驱动 轴上，所述导电滑环动环上设置导电滑环静环，所述导电滑环动环上设置与导电滑环动环 形成转动连接的导电滑环静环，所述导电滑环静环通过机座固定，所述导电滑环静环与数 据导线相互连接，通过数据导线将获得的数据导出。

作为对本发明所述的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的进一步改进：所述密 封定子上设置有凸台，所述密封定子通过凸台实现与导流端盖和出口管的定位；所述密封 定子分别通过螺栓固定在导流端盖和出口管上。

作为对本发明所述的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的进一步改进：所 述出口管与水槽之间通过软管相互连接；所述水槽的底部设置有用来与外界管路相连通的 底部泄流管。

作为对本发明所述的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的进一步改进：入 口端盖与主轴之间设置有径向密封组件，所述径向密封组件包括设置在入口端盖内环面和 主轴外侧面之间的迷宫密封组件，以及用于二次密封的唇形密封组件。

本发明具有良好的通用性，可通过快速拆装完成对不同密封的测试，并具有测量准确 及可得数据丰富等优点，可在保证数据可靠性的前提下进行密封各种工况，尤其是不同预 旋强度下的泄漏量及密封力的数据的准确测量，为密封力对轴系动力学影响的研究提供可 靠数据。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置的主要结构示意图；

图2是图1中电阻应变式测力计4的主要结构示意图；

图3是图1中电阻应变式测力计4的A-A剖视结构示意图；

图4是图2中三十六片电阻应变片在四根矩形变形筋上的分布示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图3给出了一种用于研究阻尼密封预旋效应的密封力测试装置；包括驱 动轴1、导电滑环组件2、测力计保护罩3、电阻应变式测力计4、径向密封组件、主轴6、 密封转动件7、出口管9、密封定子10、预旋轴套11、导流端盖12、入口端盖14和水槽16。

以上所述的导流端盖12和入口端盖14组成密封腔，用来作为测试阻尼密封预旋效应的 主要场所；主轴6横向贯穿密封腔，径向密封组件设置在入口端盖14内环面和主轴6外侧面 之间，径向密封组件包括迷宫密封组件，以及用于二次密封的唇形密封组件5。

驱动轴1的右半部分设置导电滑环组件2，导电滑环组件2包括机座、导电滑环动环22 和导电滑环静环23；导电滑环动环22套装（固定）在驱动轴1上，导电滑环静环23套装（非 固定）在导电滑环动环22上，导电滑环静环23与机座固定，导电滑环静环23和导电滑环动 环22之间为转动连接，即在导电滑环动环22随驱动轴1转动的时候，导电滑环静环23通过 机座保持静止状态。

驱动轴1右端通过电阻应变式测力计4与主轴6的左端固定相连，电阻应变式测力计4 包括两个变形筋固定盘、四根矩形变形筋及三十六片电阻应变片；即如图2和图3所示，两 个变形筋固定盘分别为左变形筋固定盘41和右变形筋固定盘42，左变形筋固定盘41与驱动 轴1的右端固定连接，右变形筋固定盘42与主轴6的左端固定连接；四根矩形变形筋即矩形 变形筋Ⅰ43、矩形变形筋Ⅱ44、矩形变形筋Ⅲ45和矩形变形筋Ⅳ46；矩形变形筋Ⅰ43、矩 形变形筋Ⅱ44、矩形变形筋Ⅲ45和矩形变形筋Ⅳ46的左、右两端分别均匀的固定在左变形 筋固定盘41和右变形筋固定盘42上，三十六片电阻应变片均匀分布在矩形变形筋Ⅰ43、矩 形变形筋Ⅱ44、矩形变形筋Ⅲ45和矩形变形筋Ⅳ46上，即如图4所示，每根矩形变形筋上 分配有九片电阻应变片，如矩形变形筋Ⅰ43上的A0、A12、A22、A21、A11、A32、A42、 A31和A41；如矩形变形筋Ⅲ45上的D0、D12、D22、D21、D11、D32、D42、D31和D41； 为保持图面整洁，省略矩形变形筋Ⅱ44和矩形变形筋Ⅳ46上的电阻应变片标记；三十六片 电阻应变片在矩形变形筋Ⅰ43、矩形变形筋Ⅱ44、矩形变形筋Ⅲ45和矩形变形筋Ⅳ46上的 分布形态完全相同。为了对以上所述的两个变形筋固定盘、四根矩形变形筋及三十六片电 阻应变片进行保护，防止外力损坏，在左变形筋固定盘41上固定有测力计保护罩3（测力 计保护罩3将两个变形筋固定盘、四根矩形变形筋及三十六片电阻应变片完全包裹住）， 在测力计保护罩3上开有数据导线引出孔15（通过数据导线引出孔15引导出三十六片电阻 应变片的电阻变化信号）。

主轴6的最右端固定密封转动件7；相对应于密封转动件7的位置，在导流端盖12上设 置与密封转动件7形成间隙泄漏流道20的密封定子10；密封转动件7左侧的主轴6上设置与 导流端盖12形成环形流道19的预旋轴套11；预旋轴套11的外壁面设置有螺旋槽，螺旋槽随 主轴6转动时旋进方向指向环形流道19出口端，螺旋槽槽深至少为环形流道19径向尺寸的 1/3，环形流道19的径向尺寸至少为间隙泄漏流道20径向尺寸的10倍；预旋轴套11与主轴6 之间的连接为可拆卸类型的，通过更换具有螺旋槽槽型的预旋轴套11实现了预旋强度与转 速的独立调节，槽型的改变主要包括螺旋升角、槽齿的宽度及深度等。同时，测试装置通 过与外部循环管路（这里的外部循环管路并未在专利附图中给出，是指水流进入导流端盖 12和入口端盖14组成密封腔内的管路，与水流排出水槽16后的管路，以及各阀门和增压泵 所组成的一个可以改变水流压力的循环管路，为现有的公知技术，不做详细的描述）及电 机电路（这里的电机电路是指驱动驱动轴1转动的配套电机和控制电机的变频器，通过变 频调节对轴的转速进行调节，为现有的公知技术，不做详细的描述）的配合实现密封转动 件8在不同工况下（这里的不同工况主要就是进口压力、转速、预旋强度的调节）的性能 测定。

密封定子10上设置有凸台，密封定子10通过凸台实现与导流端盖12和出口管9的定位； 在密封定子10通过凸台实现与导流端盖12和出口管9的准确定位后，再分别通过螺栓固定 在导流端盖12和出口管9上。出口管9左端作为低压腔，并将液体引入右端，出口管9的右 端通过卡箍连接有软管21，软管21的另外一端置于水槽16中，这样设置既可以满足快速拆 装更换密封的要求，又消除了较长密封安装尺寸的限制。水槽16的下端设置有电阻应变式 称重传感器17；水槽16的底部设置有用来与外界管路相连通的底部泄流管18。

入口端盖14环向上设有1个流道入口13。主轴6的右端固定有轴头螺母8，轴头螺母8 主要用于加强密封转动件7的轴向固定，把密封转动件7顶牢，同时起到保护主轴6的右端 的作用，减少水流的磨蚀。

以上所述的三十六片电阻应变片均通过数据导线（经过导线引出孔15）将获得的电阻 （通过电阻应变片电阻的变化测得相应位置应变的大小，进而求解作用于主轴6上的密封 力在指定方向的大小）变化数据传输到导电滑环动环22中，信号再由导电滑环动环22传输 给导电滑环静环23，导电滑环静环23通过另外的数据导线传输到外接的数据采集及处理系 统。电阻应变式称重传感器17与数据采集及处理系统之间信号连接，通过电阻应变式称重 传感器17实现阻尼密封在高速、低压差工况下较小泄漏量的准确测定。

在实际使用的时候，步骤如下：

1、从流道入口13引入水流；

2、通过驱动轴1转动，由驱动轴1分别带动导电滑环动环22和电阻应变式测力计4转动， 电阻应变式测力计4带动主轴6转动，主轴6带动预旋轴套11转动，预旋轴套11的螺旋槽在 水流中产生水流预旋速度；

3、通过外部系统给连接导电滑环静环23（导电滑环静环23通过机座固定，并不随着 导电滑环动环22转动），再由导电滑环静环23给导电滑环动环22提供电信号（电压或电流 信号），再由导电滑环动环22将电信号传输到三十六片电阻应变片，在四根矩形变形筋之 间形成电桥平衡（电阻应变片设置在四根矩形变形筋上，每根矩形变形筋上设置九个电阻 应变片，由四根矩形变形筋上对应的四个电阻应变片形成一个电桥平衡，即总共有九个电 桥平衡）；

由于水流通过间隙泄漏流道20的时候，产生影响主轴6旋转的力，主轴6受到力之后， 主轴6左端的右变形筋固定盘42直接受到影响，导致左变形筋固定盘41和右变形筋固定盘 42之间的四根矩形变形筋扭曲，直接导致四根矩形变形筋之间的电桥平衡被打破，产生电 流的波动，通过数据线将电流的波动信号导出到导电滑环静环23，再由导电滑环静环23 将电流的波动信号导出到数据采集系统；

4、水流依次经过环形流道19和间隙泄漏流道20后，通过出口管9经软管21进入水槽16 中，由水槽16中的电阻应变式称重传感器17采集到相应的数据，并将相应的数据传输到数 据采集及处理系统中做相应的处理。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接 导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。