专利名称：用于测定刷状密封件的固有频率的设备和方法
技术领域：
和
背景技术：
本发明涉及用于在压力下和/或在模拟转子干涉条件下测定刷状密封部段的固有频率的频率测试设备及其方法。
刷状密封件越来越多应用于更加复杂的条件下，例如大型蒸汽和气体涡轮机以及航空发动机中，以便在静止部件和旋转部件之间起密封作用。刷状密封件通常包括多根由陶瓷或金属材料制成、从一块或多块背衬板上伸出而末尾为自由端的刷毛。按常规，刷状密封件在待密封的部件之间延伸，例如从静止部件上伸出而这时刷毛的自由端通常与旋转部件接合。此外，按照常规，刷毛的近端置于一对背衬板之间并且焊接于背衬板上。正如所指出的那样，背衬板通常固定于静止部件，例如环绕着蒸汽涡轮机中的转子的膜片上。刷毛通常与转子的半径偏移一定角度并沿转子的旋转方向从背衬板上延伸，以便使得刷毛的自由端与转子接合并与转子形成密封。实际上，刷毛包括多根沿着旋转部件的表面形成接合的悬臂梁。在静止部件和旋转部件之间起密封作用的刷状密封件按常规还由刷状密封部段形成。例如，可以设有六个弓形的密封部段，每个部段大约延伸60°并且端对端地排列以便形成环绕着旋转部件的完整的360°密封。
应当理解，恶劣的流动条件带来了使刷状密封件的一个或多个固有频率受到激励的危险。如果一个刷状密封件在使用过程中在共振频率上受到激励，刷毛就可能会因高周疲劳而在其焊接的近端附近并沿其自由长度折断。由于这种现象的存在，通常要在振动台上对刷状密封部段进行测试以便确定密封件的固有频率，当各种频率被扫过时利用频闪观测仪来测定刷状密封部段的固有频率。然而，由于在密封件中刷毛一个靠一个地组装起来，因而刷毛彼此之间的摩擦会使得刷状密封件的固有频率在不同的工作压力下，也就是密封件的相对两侧的区域之间的压差下发生变化。就是说，当压力载荷增加时，彼此接合并组装在一起的刷毛就会增大密封刚度，从而改变密封件的固有频率。
刷状密封件的固有频率不仅在不同压力载荷下发生变化，而且也随转子干涉而变化。就是说，施加于刷状密封件与转子之间的力也会改变密封件的固有频率。因此，就需要用于在压力载荷和/或转子干涉条件下测试刷状密封部段以便测定它们的固有频率的设备和方法。
发明内容
根据本发明的一个优选实施例，为刷状密封件预备的可以加压至选定的工作压力水平的压力容器被安装于扫过所感兴趣的频率范围的振动台上。刷状密封部段，优选只有小的弓形部段，被安装于压力容器中。一个具有模拟转子的半径的元件安装在压力容器中从而使刷状密封部段与该元件形成模拟的密封，当刷状密封件处于使用中时刷毛的远端与该元件接合。密封件设置于压力容器中以便使得密封件相对两侧的区域处于不同的压力下。在压力容器中设有观察口，以便使用例如频闪观测仪在振动台扫过感兴趣的各个频率时测定刷毛的固有频率。
利用这种方案，可以确定横过密封件的预定工作压差下刷状密封件的固有频率。另外，通过调整朝向或远离刷毛远端的元件径向表面，可以改变刷毛与模拟转子之间的干涉水平。因此，可以在不同的压力和/或刷毛与模拟转子之间的干涉配合的条件下确定刷状密封部段的固有频率。
在本发明的一个优选实施例中，刷状密封件的固有频率测试设备包括一个带有安装件的外壳，以及一个承载于该安装件上的弓形的刷状密封部段。刷状密封部段包括一块背衬板上载有的多根刷毛，刷毛从该背衬板上自由伸出，而末尾为刷毛远端。外壳中的一个元件具有一用于与刷毛远端接合的弓形表面，并且与刷状密封部段一起在各自处于不同压力下的密封件相对两侧的两个区域之间限定密封。外壳所带的一个连接件将外壳联接于振动器上，该振动器使外壳和安装在其中的刷状密封部段通过一频率范围振动以便确定刷状密封部段在不同压力载荷下的固有频率。另外，刷状密封部段也可以包括一对背衬板上载有的多根刷毛，刷毛从该对背衬板上自由伸出，末尾为刷毛远端。另外，刷状密封部段也可以包括一对背衬板上载有的多根刷毛，刷毛从该对背衬板上自由伸出，而末尾为刷毛远端。
在本发明的另一个优选实施例中，公开了用于测定刷状密封部段的固有频率的方法，这种刷状密封部段具有多根安装于至少一块背衬板上的刷毛，刷毛从该对背衬板上自由伸出，并且末尾为刷毛远端，这种方法包括如下步骤，将刷状密封部段放置于压力容器中并使刷毛远端沿着元件接合，以便与其限定位于各自在不同压力下的密封件相对两侧的区域之间的密封，横过密封件提供压差，以及通过一频率范围振动压力容器以便测定刷状密封部段在压差下的固有频率。
在本发明的又一个优选实施例中，公开了用于测定刷状密封部段的固有频率的方法，这种刷状密封部段具有多根安装于至少一块背衬板上的刷毛，刷毛从该对背衬板上自由伸出，并且末尾为刷毛远端，这种方法包括如下步骤，将刷状密封部段放置于一固定件中并使刷毛远端沿着一元件接合，以便与其限定一定大小的干涉，以及测定刷状密封部段在刷状密封部段与元件之间存在一定大小的干涉的条件下的固有频率。
图1为根据本发明一个优选实施方案的刷状密封件的固有频率测试设备的一个优选实施方案的部件分解透视图。
具体实施例方式
在图中，所示为一个压力容器或外壳10，它具有侧壁12、相对的端壁14和16、顶壁18和底壁20。各个壁确定了一个外壳，可以按照已知的常规方式对该外壳加压。在压力容器内设置有一个安装件，该安装件优选包括一对位于端壁16上的安装托架或安装夹具22。托架22在外壳中夹住刷状密封部段24，以便进行测试。如图所示，刷状密封件24包括一对背衬板26和28，多根刷毛30位于这对背衬板26和28之间。刷毛通常位于背衬板之间，并且在其近端附近焊接于背衬板上，而刷毛从背衬板之间自由延伸，末尾为刷毛远端32。应当理解，刷状密封部段24可以包括一块背衬板，尽管优选两块背衬板。
刷状密封部段24在壁16的内表面附近被密封夹具22夹住。一对端支承件34和36也由端壁16承载，它们密封着部段24的端部。端支承件34末尾缺少刷毛远端，以便使得能够通过形成于侧壁12中的观察口38观察刷毛远端。端支承件36具有弓形上表面，基本与刷毛远端的半径一致。应当理解，刷状密封部段24形成了另外为环形的刷状密封件的一个弓形部段。外壳还包括一个通过端壁16与环境压力相通的出口40。
元件42具有半径，也就是说具有一个模拟转子表面的弓形表面44，该元件沿顶壁18的下侧被支承住。弓形表面与刷毛30的远端32相接合。这样，元件42就伸入外壳中并且其弓形表面44与刷状密封件的远端32接合。利用这种接合方案，在端支承件34和36基本密封好经受测试的部段的情况下，就在通过刷毛远端与表面44的接合而形成的密封的相对两侧的区域之间产生了压差。利用上述结构方案，使刷状密封部段24位于外壳中而刷毛远端32靠近出口40，从而使得在一侧存在一个环境压力区域，而靠近在其相对一侧的压力容器的剩余部分中存在一个较高压力区域。这样，通过对压力容器加压，就可使得刷毛一侧的区域所处的压力高于刷毛的相对另一侧的区域所处的压力，后一个区域通过出口40与大气相通。经过测试的设备的不同部分在两个区域之间发生的泄漏现象既不明显，也不会造成不利影响。为了进行测试，只需要横过两个区域之间的密封保持预定压差即可。
元件42可以相对于顶板进行调节以便根据需要使得弓形表面44可以更大程度或更小程度地与刷毛远端32接合；就是说，通过朝向或远离经受测试的部段34的刷毛远端调整元件42，可以对刷状密封部段和与其形成密封的转子之间的实际干涉进行模拟。例如，可以利用垫片43来调整这种干涉。也可以利用其他装置，例如螺钉调节装置来使表面44朝向和远离刷毛远端32移动。
可以按照常规方式利用频闪观测仪来确定刷毛的固有频率。另外，顶壁和前壁18和14各自可以包括由透明材料形成的观察口以便可以在刷毛经受测试时进行观察。此外，在压力容器10的各个壁上可以设置有不同的连接件50以便可按照不同方位将压力容器连接于振动台上。这样，至少侧壁、下壁和端壁上具有用于将容器10固定于振动台上的连接件50，因此频率测试过程可以按照三个主要的正交方向进行。
为了利用测试设备，压力容器被安装于振动台上。弓形的刷状密封部段44通过夹具22夹在容器的后壁16上，并位于端支承件34和36之间。在元件42已固定于顶壁18上的情况下，将顶壁固定于压力容器上并使元件42的弓形表面44与刷毛的远端接合。元件42通过使用例如不同的垫片，就可以在使用过程中对弓形表面44与刷毛远端之间的干涉进行调整，以便模拟对其一个部段进行测试的刷状密封件与转子之间的实际干涉情况。在除了开口40以外压力容器保持封闭的情况下，对容器进行加压，从而在密封部段34的相对两侧的区域之间提供压差。随后，振动台扫过感兴趣的频率范围。当振动器频率与密封部段的固有频率匹配时，就可以通过不同的观察口或通过由透明材料构成的外壳的一个或多个侧壁捕捉到刷毛的激励情况。利用这种方案，就可以在压力载荷下测定刷状密封件的固有频率，从而可以测定刷状密封件受到预期压力载荷作用时刷状密封件的固有频率。
另外，可以测量在不同径向干涉情况下密封件的固有频率。就是说，刷状密封件在与转子接合时通常带有特定大小的径向力，在实际使用时该径向力也会改变刷状密封件的固有频率。通过调整元件42以便象实际的刷状密封件中那样向刷毛远端施加类似的径向力，可以测定刷状密封件在这种径向载荷下的固有频率。这一过程可以在带有或不带压力载荷，即横过密封件的压差的情况下完成。
尽管只对本发明的某些优选特征进行了展示和描述，但对本领域的普通技术人员而言，可以进行许多改动和变化。因此，应当理解，所附的权利要求书意欲覆盖在本发明的真实精神范围内的所有这些改动和变化。
权利要求
1.一种用于刷状密封件的固有频率测试设备，其包括一带有安装件(22)的外壳(10)；一由所述安装件(22)载有的弓形刷状密封部段(24)，所述刷状密封部段包括至少一块背衬板(26)上载有的多根刷毛(30)，使刷毛从该背衬板上自由延伸出，并且终止于刷毛远端(32)；一位于所述外壳内的元件(42)，其具有一用于与刷毛远端接合的弓形表面，所述元件与所述刷状密封部段在分别处于不同压力下的所述密封件的相对侧上的两个区域之间限定密封，以便在所述刷状密封部段上加载压差；以及一由所述外壳载有的连接件(50)，用于将外壳联接于振动器上，由此安装在该振动器中的外壳和刷状密封部段可以振动通过一频率范围，以便确定刷状密封部段在所述压差载荷下的固有频率。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括由所述外壳载有的连接件(50)，以便使外壳绕着三根正交地相关的轴线振动。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括通过所述外壳的多个观察口(38、18、14)，以便在所述频率范围内和在所述压差下确定刷毛的固有频率。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述元件可调整地安装于所述外壳中，以便调整所述弓形表面与所述刷毛远端之间的干涉，由此可以在所述表面与所述刷毛远端之间的不同干涉的情况下确定刷状密封部段的固有频率。
5.一种用于刷状密封件的固有频率测试设备，其包括一带有安装件(22)的外壳(10)；一由所述安装件载有并位于所述外壳内的弓形刷状密封部段(24)，所述刷状密封部段包括一对背衬板(26、28)上载有的多根刷毛(30)，使刷毛从背衬板上自由延伸出，并且终止于刷毛远端(32)；一位于所述外壳内的元件(42)，其具有一用于与刷毛远端接合的弓形表面，并且可以定位于所述外壳中，以便调整所述弓形表面与所述刷毛远端之间的干涉；以及一由所述外壳载有的连接件(50)，用于将外壳联接于振动器上，由此安装在该振动器中的外壳和刷状密封部段可以振动通过一频率范围，以便确定刷状密封部段在所述表面与所述刷毛远端之间的不同干涉情况下的固有频率。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，其包括由所述外壳载有的连接件(50)，以便使外壳绕着三根正交地相关的轴线振动。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，其包括通过所述外壳的多个观察口(38、18、14)，以便在所述频率范围内确定刷毛的固有频率。
8.一种测定刷状密封部段的固有频率的方法，该刷状密封部段具有多根安装于至少一块背衬板(26)上的刷毛(30)，使刷毛从该背衬板上自由延伸出，并且终止于刷毛远端(32)，该方法包括如下步骤将刷状密封部段(24)设置于压力容器中，使刷毛远端(32)沿着元件(42)接合以便与该元件并且在分别处于不同压力下的密封件的相对侧上的区域之间限定密封，横过所述密封件提供压差；以及使压力容器振动通过一频率范围，以便测定刷状密封部段在所述压差下的固有频率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其包括将横过密封件的压差改变为第二压差，使压力容器振动通过一频率范围，以及测定刷状密封部段在所述第二压差下的固有频率。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其包括调整所述刷毛远端(32)与元件(42)之间的干涉，并且测定密封件在所述压差和所调整的干涉下的固有频率。
11.一种测定刷状密封部段(24)的固有频率的方法，该刷状密封部段具有多根安装于至少一块背衬板上的刷毛(30)，使刷毛从该背衬板上自由延伸出并且终止于刷毛远端(32)，该方法包括如下步骤将刷状密封部段设置于一固定件中，使刷毛远端沿着一元件接合，该元件与该刷毛远端限定干涉量；以及在刷状密封部段与元件之间的所述干涉量的情况下测定刷状密封部段的固有频率。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，测定刷状密封部段的固有频率的步骤包括使固定件振动通过一频率范围。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其包括将刷状密封部段与元件之间的干涉调整为与所述第一干涉量不同的第二干涉量；并且在刷毛与元件之间的所述第二干涉量的情况下测定刷状密封部段的固有频率。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，测定刷状密封部段的固有频率的步骤包括使固定件振动通过一频率范围。
全文摘要
刷状密封部段(24)安装于压力容器(10)中并紧靠元件的弓形表面(44)，以便在处于不同压力下的密封件相对两侧的区域之间提供密封。通过一频率范围振动该容器，可以确定压力载荷下刷状密封件的固有频率。另外，通过调整弓形表面与刷毛远端之间的干涉，同样可以确定在不同干涉载荷下刷状密封件的固有频率。压力容器具有安装件(50)，用于将容器连接于振动台上，以便通过一频率范围振动容器。
文档编号F16J15/32GK1392935SQ01802955
公开日2003年1月22日 申请日期2001年9月14日 优先权日2000年9月29日
发明者M·F·阿克斯特, M·德米罗格卢, H·R·萨沙, O·S·丁克 申请人:通用电气公司