技术领域
[0001] 本
发明属于透平机械技术领域，具体涉及一种可调间隙的密封泄漏特性实验台。
背景技术
[0002] 在
汽轮机、
压气机、
泵等透平机械中，旋转动密封装置安装在静子部件和
转子部件所形成的间隙中，控制间隙内从高压端向低压端的泄漏流动，对透平机械的安全、经济、稳定运行有着显著的影响。目前较为常用的动密封结构有
迷宫密封、蜂窝密封、孔型密封和
刷式密封，而根据安装
位置不同又可分为级间密封、轴密封、叶顶密封、
叶轮进口密封和隔板密封等。旋转动密封结构一般由转子部件和密封静子部件两部分组成，两者之间存在着很小的间隙。
[0003] 在众多旋转动密封装置中，迷宫密封由于有结构简单、运行稳定、成本低、安装方便、密封效果好等优点，目前是透平机械领域应用最为广泛的动密封装置。近年来，新型阻尼密封(蜂窝密封、袋型阻尼密封、孔型密封等)和刷式密封由于它们具有十分优良的性能也越来越受密封行业的关注。但是，旋转动密封内的不可避免的泄漏流动直接对透平机械的运行效率有着显著的影响，因此对动密封内的泄漏流动和流场
可视化研究逐渐成为透平机械研究领域的热点和难点问题。
[0004] 在密封泄漏特性的实验研究中，往往因为实验件和密封间隙的变化而需要对实验台其余某些部件进行重新设计，这大大增加了实验成本和时间；此外，随着对
密封性能研究的深入，为了在理论上分析密封的封严机制，因此需要对密封内部的流场结构进行可视化测量，所以在密封泄漏特性实验台的设计中，还需要同时考虑对其内部流场进行可视化测量的需求。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对密封泄漏特性实验研究中能够对密封结构进行经济、方便、快捷地调整间隙和更换测量结构的要求，以及可同时进行流场可视化测量的要求，提供了一种可调间隙的密封泄漏特性实验台，其能通入烟雾颗粒作为示踪粒子，进行流场可视化测量。这种适用于不同结构、不同形式、不同间隙的实验台大大提高了密封泄漏特性研究过程中实验台的使用效率，缩短了实验研究时间，节省了实验成本。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
[0007] 一种可调间隙的密封泄漏特性实验台，包括压气机、流量
阀、流量计前直管段、
涡轮流量计、流量计后直管段、截面转换段、整流段、收缩段、实验段前连接段、实验段和实验段后延伸段；其中，
[0008] 实验段包括密封齿、转子面、观测板和背
挡板，从上游望向下游，密封齿的齿与转子面上下相对，左侧为背挡板，右侧为观测板，且背挡板和观测板相连接，实验段上游与实验段前连接段相连，下游与实验段后延伸段相连；实验段底部的高度调节板
板面与实验段底面平行，距实验段底面留有设定距离，若干个高度调节
螺栓穿过高度调节板上的
螺纹孔，顶部
支撑在实验段底面上；
[0009] 截面转换段和整流段的连接处设置有整流栅网，实验段前连接段上设置有总压
探头和
热电偶，总压探头输出端通过压电转换器连接至
电子压
力表输入端，热电偶输出端连接至NI采集卡输入端。
[0010] 本发明进一步的改进在于，实验段的外侧还设置有YAG激
光源、光导臂、片光片和CCD相机，片光片出口和CCD相机对准实验段，并通过光导臂连接片光片和YAG激光源。
[0011] 本发明进一步的改进在于，NI采集卡输出端、YAG激光源和CCD相机输出端均通过数据
连接线连接至计算机。
[0012] 本发明进一步的改进在于，流量计后直管段上设置有烟雾发生器。
[0013] 本发明进一步的改进在于，还包括
冷却水箱和冷却水回流槽，冷却水箱内设置有冷却水泵，冷却水箱的冷却水通
过冷却水泵及冷却水管道对烟雾发生器进行冷却，并通过冷却水回流槽回收冷却后的水至冷却水箱内。
[0014] 本发明进一步的改进在于，还包括设置在压气机出气口处的
旁通阀。
[0015] 本发明进一步的改进在于，实验段上的观测板上开设有透光性好的玻璃观测视窗。
[0016] 本发明进一步的改进在于，实验段上的背挡板的表面上涂有哑光漆。
[0017] 本发明进一步的改进在于，收缩段的通道收缩型线为维氏曲线。
[0018] 本发明进一步的改进在于，密封齿、转子面、观测板与背挡板，均采用聚甲基
丙烯酸甲酯材质制成。
[0019] 本发明具有如下的优点：
[0020] 本发明提供了一种可调间隙的密封泄漏特性实验台，由于实验段并非一体构造，而是由密封齿、转子面、观测板和背挡板组装而成，故能较为方便地更换密封齿结构和转子面结构，能够广泛应用于对各类动密封(迷宫密封、阻尼密封、刷式密封、高低齿密封等)的设计和性能测试研究。又由于观测板、背挡板以及实验段前连接段和实验段后延伸段上的连接孔均为腰型孔，且实验段下侧支撑部分为高度调节螺栓，故可方便、快捷地调整密封间隙；同时，栅网和整流段的设置，保证了实验段来流的均匀性，流量计与进口的总压探针和热电偶可以精确测量进口压力、
温度和
质量流量参数，出口为实验环境条件，这样便可使实验台方便、经济地用于不同间隙、不同形式的密封结构的泄漏特性实验。
[0021] 进一步，由于实验段的外侧还设置有YAG激光源、光导臂、片光片和CCD相机，片光片出口和CCD相机对准实验段，并通过光导臂连接片光片和YAG激光源。故本发明可通过PIV技术对多种密封结构的内流场进行可视化测量研究，为密封的封严机制进行理论分析和工程设计高性能密封装置提供流场结构的可视化结果。
[0022] 进一步，由于烟雾发生器安装在流量计后直管段上，距实验段较远，有利于烟雾颗粒混合均匀，提高流场可视化测量结果。
[0023] 进一步，由于NI采集卡、YAG激光源和CCD相机都连到同一计算机上，故可将温度
数据采集、PIV流场拍摄控制以及流场数据的后处理集成到同一平台上，方便数据的采集和
整理。
[0024] 进一步，由于压气机出口支路接有旁通阀，故可调整旁通阀使实验台在较大工况范围内安全稳定运行，而不会造成压气机工况变化过大，避免了喘振等危险发生。
[0025] 进一步，虽然烟雾发生器出口温度很高，但因装有冷却系统，从而避免了连接处
密封胶融化而导致的泄漏问题，又使实验台可较长时间连续稳定运行。
[0026] 进一步，由于背挡板上涂有哑光漆，观测板上开有透光性好的玻璃观测视窗，故可最大限度减小了在流场可视化测量中，光的反射和折射带来的实验误差。
[0027] 进一步，由于收缩段的通道型线为韦氏曲线，故根据
风动设计原理，该收缩段能使气体在收缩流动中保持很好的
层流性和
稳定性，避免壁面分离，减小实验段进口
湍流强度。
[0028] 进一步，由于密封齿、转子面、观测板与背挡板均采用聚甲基丙烯酸甲酯材质制成。该种材料为透明材料，可使激光射入，完成流场可视化测量。且此种材料能承受较大压力而又质量较轻，故在满足较宽工况范围的同时可更为方便地携带、安装、拆卸、更换与调整实验段。
附图说明
[0029] 图1是本发明实验台的结构简图；
[0030] 图2是本发明的实验段组装图(以阶梯式迷宫密封为例)；
[0031] 图3a是本发明的间隙调整示意图(以阶梯式迷宫密封为例)，图3b为密封齿的结构示意图，图3c为转子面的结构示意图，图3d为观测板的结构示意图，图3e为背挡板的结构示意图；
[0032] 图4a是本发明的收缩段子午面剖视图，图4b是图4a的A-A向剖视图，图4c是图4a的B-B向剖视图；
[0033] 图5是本发明的烟雾发生器连接处示意图；
[0034] 图6是本发明的烟雾发生器冷却
水循环示意图；
[0035] 图7是本发明的PIV拍摄示意图。
[0036] 图中：1为压气机；2为旁通阀；3为流量阀；4为流量计前直管段；5为涡轮流量计；6为流量计后直管段；7为截面转换段；8为整流栅网；9为整流段；10为收缩段；11为实验段前连接段；12为总压探针；13为压电转换器；14为电子压力表；15为热电偶；16为NI采集卡；17为密封齿；18为转子面；19为观测板；20为背挡板；21为实验段后延伸段；22为高度调节板；23为高度调节螺栓；24为烟雾发生器；25为冷却水箱；26为冷却水泵；27为冷却水管道；28为冷却水回流槽；29为YAG激光源；30为光导臂；31为片光片；32为CCD相机；33为计算机。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0038] 参照图1，本发明提供的一种可调间隙的密封泄漏特性和流场可视化实验台，包括压气机1、旁通阀2、流量阀3、流量计前直管段4、涡轮流量计5、流量计后直管段6、截面转换段7、整流栅网8、整流段9、收缩段10、实验段前连接段11、总压探针12、压电转换器13、电子压力表14、热电偶15、NI采集卡16、密封齿17、转子面18、观测板19、背挡板20、实验段后延伸段21、高度调节板22、调节螺栓23、烟雾发生器24、冷却水箱25、冷却水泵26、冷却水管道27、冷却水回流槽28、YAG激光源29、光导臂30、片光片31、CCD相机32和计算机33。
[0039] 将流量阀3、流量计前直管段4、涡轮流量计5与流量计后直管段6通过螺栓和
法兰依次连接，并固定于流量计
支架上。然后通过管道将流量阀上游连接到压气机气源上1，将流量计后直管段6通过法兰连接到截面转换段7，从而将流道截面由圆形转换为方形，在其下游通过方形法兰依次连接整流栅网8、整流段9与收缩段10。将实验段前连接段11通过螺栓固定连接在实验段支架上，然后将其上游与收缩段10相连。将总压探针12与热电偶15通过
螺纹孔固定在实验段前连接段11上，并将总压探针12通过
橡胶管连接到压电转换器13上，再由数据连接线连接到电子压力表14上显示其压力读数，热电偶15连接到NI采集卡16采集其温度值，再由数据连接线连接到计算机33上，实时读取温度数据。将高度调节板22固定到实验段支架上，然后将四根高度调节螺栓23通过高度调节板22上的螺纹孔连接。将密封齿17、转子面18、观测板19、背挡板20组装为实验段，放置于四根高度调节螺栓23顶部所形成的平面上。调节实验段的高度，用螺栓穿过前连接段面11上的腰形孔与实验段连接。实验段后延伸段21固定在实验段支架上，并通过螺栓与实验段相连接。
[0040] 将烟雾发生器24固连在流量计后直管段6上，然后将冷却水箱25与冷却水泵26放置在烟雾发生器24下方，冷却水管道27一头连接冷却水泵出口，一头固定在需要冷却的烟雾发生器24连接处上方，管口方向向下，使冷却水不断冷却连接处。再将回流槽固定在连接处下方，并将其一端向下连接到水箱25。
[0041] 将片光片31固定在三
脚架上，并将片光片出口对准密封齿17或转子面18(根据具体实验段密封的型式)，使片光平行于观测板19。然后再用光导臂30将片光片31和YAG激光源29相连接，将CCD相机32对准观测板19，并使其与片光面垂直，再用数据连接线将CCD相机32连接到计算机33上。
[0042] 其中，观测板19、背挡板20、实验段前连接段11与实验段后延伸段21，它们的特征是其面上与密封齿17及转子面18相连接的通孔为腰形孔，这样便可在不改变其它部件的情况下，通过松动连接螺栓使密封齿17上下移动，然后用高度调节螺栓23来调节间隙尺寸，调整好间隙尺寸后再重新紧固螺栓并密封连接面边界。观测板19的特征是其面上开有透光性良好的玻璃观测视窗，从而减小因反射带来的测量误差；背挡板20的特征是其面上涂有哑光漆，从而减小PIV流场可视化测量中因激光反射或其余光源干扰带来的测量误差；收缩段10的特征是通道收缩型线为维氏曲线；密封齿17、转子面18、观测板19与背挡板20，它们的特征为所用材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
[0043] 参见图1，本发明的在截面转换段7前的流道截面形状为圆形(由流量计决定)，在截面转换段7后的流道截面形状为矩形(由实验段截面形状决定)。涡轮流量计5与流量计前直管段4、流量计后直管段6以及流量阀3均通过法兰连接，轴心保持一致，由于流道由圆转方的过程中可能导致
流体壁面分离流动，使湍流强度增大，故必须在截面转换段7后安装整流栅网8与整流段9，以得到稳定均匀的来流。
[0044] 参见图2，本发明在整流段9与实验段之间采用的收缩段10为维氏曲线收缩段，收缩段进出口截面均为矩形，且横向宽度不变，高度缩小。其收缩曲线型线方程为：
[0045]
[0046] 其中，R为通道出口高度的一半，以通道中心线为y轴0点；ξ为进出口收缩比，流道截面横向长度不变，故截面收缩比等于进出口纵向长度之比，收缩比一般为8～10；η为长径比，为收缩段长度与进口纵向长度比，一般取1.3～-1.5。这种形状的收缩曲线已被研究证明能避免流动分离，极好地保持来流的均匀稳定。
[0047] 参见图3a至图3e，本发明的实验段由密封齿17、转子面18、观测板19和背挡板20通过螺栓组装而成，组装成的实验段流道截面形状为矩形。观测板19和背挡板20上的通孔为腰形孔，这样可允许密封齿和转子面进行竖直方向调整。整个实验段均是采用聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)加工而成，观测板19上用白玻璃制作观测视窗，减少因有机玻璃透光性不强带来的误差，背挡板20整体涂上哑光黑漆，防止因反射引起的测量误差。图中的密封齿17为迷宫密封齿，实际应用中还可更换为指尖密封、弹性密封等其它密封结构。图中转子面
18为阶梯式面，实际应用中还可更换为直通式面、蜂窝面和孔型面等其它结构。
[0048] 参见图4a至图4c，实验台安装好后，若需调整密封间隙，只需先松弛实验段前连接段11、实验段后延伸段21、观测板19和背挡板20上的固定螺栓，由于这四部分上的连接通孔均为腰型孔，故可使密封齿17或转子面18在一定范围内上下移动。高度调节螺栓23呈矩形排列，在起到支撑实验段作用的同时可以通过旋钮的方式控制密封齿17或转子面18在竖直方向移动，从而达到改变密封间隙值的目的，密封间隙的变化范围主要受到腰型孔长度限制。其中高度调节板22固定在实验段支架上，通过螺纹通孔和高度调节螺栓23连接。
[0049] 参见图5，烟雾发生器24与流量计后直管段6之间用内
螺纹连接套连接，烟雾发生器出口压力高于管道内压力，因此能将烟雾粒子布散到实验气体中而成为示踪粒子。由于在A、B两个环面处可能发生泄漏，因此必须在这两处用密封胶进行密封。由于烟雾发生器24的发烟原理是通过将烟油在高温高压的情况下
气化，然后由
喷嘴喷出重新冷凝为液滴，因此发烟器出口的温度极高，在与实验管道的封闭连接处的温度往往会高于普通金属能承受的温度，易导致密封胶融化与金属
变形，造成较大泄漏，因此必须加装冷却装置对
内螺纹连接套前后部分进行冷却。
[0050] 参见图6，冷却系统由冷却水箱25、冷却水泵26、冷却水管道27和冷却水回流槽28组成。冷却水箱25安装在待冷却位置下方，冷却水泵26安装在冷却水箱25底部，通过冷却水管道27将水运输到待冷却位置上方，然后以冲淋的方式进行冷却，冷却后的水沿冷却水回流槽28重新流回到水箱内。实验证明此种冷却方式能将连接处的温度有效控制在40摄氏度以下，并对喷出烟雾浓度影响极小。
[0051] 参见图7，图中YAG激光源29通过光导臂30连接到片光片31，调节激光使得激光片光与待测面重合，然后使CCD相机32的镜头法向方向垂直于激光面，这样就可以捕捉到烟雾颗粒散射的激光，得到某一时刻烟雾颗粒在观测面上的分布。在极短的时间内连续拍摄两张这样的图片，通过相关
算法便可以得到图中每一个粒子在拍摄时刻的速度矢量，从而得到观测面上的流体速度矢量分布
云图。
