一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量装置及方法与流程

1.本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量装置及方法。


背景技术：

[0002]“航空发动机是飞机的“心脏”，是一种极其复杂和精密的热力机械，能够为飞机提供飞行的动力，代表了国家的综合实力和科技水平。航空发动机需要承受高负荷和热量的冲击，非常容易发生故障，因此对于航空发动机性能的要求就非常高。近些年，对于航空发动机的要求变得越来越高，对于一些部件的性能要求非常苛刻。而减小航空发动机的二次流的流动，即减少高温高压气体的泄露，是提高航空发动机性能的手段之一。据研究资料表明，良好的密封措施可以提高航空发动机性能的1％-2％。
[0003]
航空发动机性能的提高与密封技术的发展及应用是密不可分的，密封机构也由非接触式如迷宫密封、篦齿密封发展到接触式密封，如刷式密封、石墨密封等。石墨具有导热好耐磨损等优点，被广泛应用。目前航空发动机良好的密封技术石墨密封，具有低漏气量、导热好、耐磨耐腐蚀等优点。由于石墨密封属于接触式密封，而且具有一定的接触力，因此石墨密封必然存在磨损。石墨密封有效的降低了泄漏量，但也存在着磨损量，随着磨损量的增加，当达到一定限度后，石墨密封就会失效。因此如何精确的对石墨密封的磨损量测量是评估石墨密封结构失效的有效方法。目前石墨密封结构的磨损测量一般在高温材料磨损实验机上测量或者在常温下石墨磨损实验器测量。与真实的石墨密封结构工作环境还是具有很大的差距的，因此测量的误差还很大。而如何模拟航空发动机高温高压下的石墨密封结构的工作环境，与航空发动机真实环境具有相似性，是目前对于石墨密封实验需要解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
针对航空发动机石墨密封结构在高温高压下的磨损特性测量方法问题，主要是如何模拟石墨密封结构的高温高压工作环境，与航空发动机的内部环境一致。航空发动机石墨密封结构一般对于航空发动机的低压端和高压端进行密封，压气机转子在高速旋转下对气流做功，气流的压力和温度大大的提高。而压气机为多级，在转子和机匣、轴之间必然存在间隙，而石墨密封结构被布置于此，因此石墨密封结构受高温高压气体的作用。而如何把该工作环境细致的模拟出来是本发明要解决的关键问题。
[0005]
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]
在本公开的一方面，公开了一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量装置，包括：
[0007]
密封腔部、气体供给装置、转速控制装置；
[0008]
所述气体供给装置用于向所述密封腔部内供应气体；
[0009]
其中，所述密封腔部包括前室盖、后盖、中腔；
[0010]
所述中腔设有石墨密封结构；
[0011]
所述密封腔部设有空心轴；所述空心轴穿出至所述密封腔部之外，并与所述转速控制装置相连接；
[0012]
所述石墨密封结构配合在所述空心轴侧部；
[0013]
所述中腔内设有夹紧装置，所述夹紧装置与所述石墨密封结构配合来调节与所述空心轴侧部的接触力。
[0014]
进一步地，所述夹紧装置包括压紧环、传力柱、调节螺栓、推力传感器；
[0015]
所述压紧环配合在石墨密封结构外侧，调节所述调节螺栓，所述传力柱对所述压紧环的压紧程度发生改变，所述推力传感器用于检测压紧力。
[0016]
进一步地，所述空心轴中部设有隔断介质。
[0017]
进一步地，所述气体供给装置包括空压机、储气罐、截止阀、加热器、管路、调压阀；
[0018]
所述空压机、所述储气罐、所述截止阀、所述加热器调压阀均连接于所述管路上。
[0019]
进一步地，所述转速控制装置包括变频器、电动机、隔热连轴节、第一轴承座、第二轴承座、转速传感器；
[0020]
所述隔热连轴节、所述电动机、所述变频器依次连接于所述空心轴端部；
[0021]
所述第一轴承座、所述第二轴承座设于所述空心轴中部；
[0022]
所述转速传感器用于检测所述空心轴的转速。
[0023]
进一步地，所述中腔内设有温度传感器；
[0024]
所述前室盖设有温压传感器。
[0025]
在本公开的另一方面，公开了一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量方法，使用如权利要求1-6任一项所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
[0026]
步骤一：按实验要求组装实验装置，调试并运转正常，测量石墨密封结构的初始重量g1；
[0027]
步骤二：对储气罐充气打压，压力控制在不低于实验所需压力的1.5倍，根据储气罐具体额定压力设定；
[0028]
步骤三：设定转轴转速为零，此时转轴处于静止状态，调节石墨密封结构的夹紧装置到零接触力；打开截止阀，打开加热器设定实验气体温度t1，调节调压阀到最低实验压力p1，对密封腔内进行其空气加热；
[0029]
步骤四：由石墨密封结构的温度传感器观测其温度值，待石墨密封结构的温度达到与进气温度相同后，待温度变化范围符合实验精度要求后；开启变频器对轴转速进行控制，达到第一实验转速；
[0030]
步骤五：旋转石墨夹紧螺母，对石墨密封结构的接触力进行调节，调节到预定压力n1，进行第一个实验周期实验，实验时间按实验要求设定；
[0031]
步骤六：调整石墨密封结构接触力到零，关停变频器，关闭加热器；但气流不关闭，对加热器和密封腔内部件进行冷却；记录气体的压力、温度、石墨密封结构压力、转速等参数，拆解石墨密封结构，测量其重量为g2；
[0032]
步骤7：安装石墨密封结构等，进行下一个工况实验；按步骤三至步骤六，按实验大纲要求设置不同的实验参数，完成所有工况下石墨密封结构的磨损性能实验；
[0033]
步骤八：根据实验测量数据，进行数据处理，可以得到同一温度、同一石墨密封接
触力下，不同空气压力石墨密封结构随转速变化磨损量；同一石墨密封接触力下、同一气体压力下，不同温度石墨密封结构随转速变化磨损量；同一温度、气体压力下，不同石墨密封结构接触力下随转速变化磨损量；得到多参数耦合下石墨密封结构的磨损特性。
[0034]
进一步地，步骤三中：热空气的流动路径为：一、热气流沿石墨密封结构的间隙泄露到密封腔后腔内，从轴间隙流出，热气流对石墨密封结构进行了加热；二、热气流从空心轴内流入，空心轴内设置了多孔介质，对气流流动进行了限制，只有少量气流从多孔介质中流出，起到了保持密封腔压力的作用，漏出的气流沿轴孔隙排到大气，对旋转轴进行预热。
[0035]
本发明的有益效果包括：
[0036]
由于航空发动机内环境的特殊性，航空发动机部件的实验也应该与真实航空发动机的工作条件具有相似性。本发明就是模拟了航空发动机石墨密封机构在真实环境下的工作条件。
[0037]
本发明对实验腔的加热是利用高温高压的气流加热，与航空发动机对石墨密封结构的传热有相似之处，提高了实验测量结果的准确性。
[0038]
本发明可以实现多参数耦合下的石墨密封结构的磨损特性实验研究，也可以进行常规的常温常压下实验或变转速实验等，拓宽了航空发动机石墨密封磨损特性的实验条件，丰富了实验内容，保证了航空发动机工作的可靠性。
[0039]
本发明航空发动机石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量装置可以对常温常压下的石墨密封结构进行泄露量的测量，或其他密封结构的泄露量的测量，做到一法多用，有效的节省了资源，避免了重复建设。
附图说明
[0040]
图1为一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量装置的结构示意图；
[0041]
图2为密封腔部的结构示意图。
[0042]
图中：1、空压机；2、储气罐；3、截止阀；4、加热器；5、管路；6、调压阀；7、前室盖；8、温压传感器；9、调节螺栓；10、中腔；11、传力柱；12、推力传感器；13、空心轴；14、石墨密封结构；15、夹紧环；16、温度传感器；17、后盖；18、隔断介质；19、第一轴承座；20、第二轴承座；21、隔热连轴节；22、转速传感器；23、电动机；24、变频器。
具体实施方式
[0043]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0046]
如图1-2所示，一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量装置，包括：
[0047]
密封腔部、气体供给装置、转速控制装置；
[0048]
气体供给装置用于向密封腔部内供应气体；
[0049]
其中，密封腔部包括前室盖7、后盖17、中腔10；
[0050]
中腔10设有石墨密封结构14；
[0051]
密封腔部设有空心轴13；空心轴13穿出至密封腔部之外，并与转速控制装置相连接；
[0052]
石墨密封结构14配合在空心轴13侧部；
[0053]
中腔10内设有夹紧装置，夹紧装置与石墨密封结构14配合来调节与空心轴13侧部的接触力。
[0054]
具体而言，前室盖7与后盖17内部形成密封腔，保障热气流流入后的稳定作用以及对空心轴13和石墨密封结构14的预加热，石墨密封结构14通过中腔10来进行安装，石墨密封结构14在密封腔中腔10进行了轴向限位，只可沿径向通过夹紧装置来调节压紧的接触力，气体供给装置能够向密封腔部内供应温度和压力可调的气体，转速控制装置能够调节空心轴13的转速。热空气的流动路径为：一、热气流沿石墨密封结构的间隙泄露到密封腔后腔内，从轴间隙流出，热气流对石墨密封结构进行了加热；二、热气流从空心轴内流入，空心轴内设置了隔断介质，对气流流动进行了限制，只有少量气流从多孔介质中流出，起到了保持密封腔压力的作用，漏出的气流沿轴孔隙排到大气，从而对旋转轴进行预热。通过以上设置，能够实现对石墨密封结构14处于高温高压环境中的模拟。
[0055]
在一些实施例中，夹紧装置包括压紧环15、传力柱11、调节螺母9、推力传感器12；
[0056]
压紧环15配合在石墨密封结构14外侧，调节调节螺母9，传力柱11对压紧环15的压紧程度发生改变，推力传感器12用于检测压紧力。
[0057]
采用以上技术方案，调节螺母9通过传力柱11对压紧环15施加垂直于轴旋转中心线的接触力，对调节螺母9做出调节后传力柱11对压紧环15的压紧程度发生改变，使得石墨密封结构14与空心轴13的接触力发生改变。
[0058]
在一些实施例中，空心轴13中部设有隔断介质18。
[0059]
采用以上技术方案，通过设置隔断介质18，让空心轴13位于密封腔部的部分密封，气体通入密封腔部后部分气体会进入空心轴13内部，对空心轴13也进行加热。
[0060]
在一些实施例中，气体供给装置包括空压机1、储气罐2、截止阀3、加热器4、管路5、调压阀6；
[0061]
空压机1、储气罐2、截止阀3、加热器4调压阀6均连接于管路5上，通过管路5进行气体的流通。
[0062]
采用以上技术方案，空压机1能够为储气罐2打气冲压，保证实验所需空气压力；截止阀3是为了对气流的截止流动进行控制；加热器4对气流的进行预加热处理，高温高压的气体经调压阀6调节出实验所需压力，对密封腔部供给气流。
[0063]
在一些实施例中，转速控制装置包括变频器24、电动机23、隔热连轴节21、第一轴承座19、第二轴承座20、转速传感器22；
[0064]
隔热连轴节21、电动机23、变频器24依次连接于空心轴13端部；
[0065]
第一轴承座19、第二轴承座20设于空心轴13中部；
[0066]
转速传感器22用于检测空心轴13的转速。
[0067]
采用以上技术方案，空心轴13的转速控制由电动机23和变频器24完成，同时转速传感器22作为实时转速检测。第一轴承座19、第二轴承座20能够保证空心轴13稳定地转动。
[0068]
在一些实施例中，中腔10内设有温度传感器16；
[0069]
前室盖7设有温压传感器8。
[0070]
采用以上技术方案，温度传感器16测量石墨密封结构14的温度，作为控制信号；温压传感器8检测密封腔部内的温度和压力，便于气体供给装置中的调节。
[0071]
本发明还公开了一种石墨密封结构在温气耦合下磨损量测量方法，包括以下步骤：
[0072]
步骤一：按实验要求组装实验装置，调试并运转正常，测量石墨密封结构的初始重量g1；
[0073]
步骤二：对储气罐充气打压，压力控制在不低于实验所需压力的1.5倍，根据储气罐具体额定压力设定；
[0074]
步骤三：设定转轴转速为零，此时转轴处于静止状态，调节石墨密封结构的夹紧装置到零接触力；打开截止阀，打开加热器设定实验气体温度t1，调节调压阀到最低实验压力p1，对密封腔内进行其空气加热；
[0075]
步骤四：由石墨密封结构的温度传感器观测其温度值，待石墨密封结构的温度达到与进气温度相同后，待温度变化范围符合实验精度要求后；开启变频器对轴转速进行控制，达到第一实验转速；
[0076]
步骤五：旋转石墨夹紧螺母，对石墨密封结构的接触力进行调节，调节到预定压力n1，进行第一个实验周期实验，实验时间按实验要求设定；
[0077]
步骤六：调整石墨密封结构接触力到零，关停变频器，关闭加热器；但气流不关闭，对加热器和密封腔内部件进行冷却；记录气体的压力、温度、石墨密封结构压力、转速等参数，拆解石墨密封结构，测量其重量为g2；
[0078]
步骤7：安装石墨密封结构等，进行下一个工况实验；按步骤三至步骤六，按实验大纲要求设置不同的实验参数，完成所有工况下石墨密封结构的磨损性能实验；
[0079]
步骤八：根据实验测量数据，进行数据处理，可以得到同一温度、同一石墨密封接触力下，不同空气压力石墨密封结构随转速变化磨损量；同一石墨密封接触力下、同一气体压力下，不同温度石墨密封结构随转速变化磨损量；同一温度、气体压力下，不同石墨密封结构接触力下随转速变化磨损量；得到多参数耦合下石墨密封结构的磨损特性。
[0080]
进一步地，步骤三中：热空气的流动路径为：一、热气流沿石墨密封结构的间隙泄露到密封腔后腔内，从轴间隙流出，热气流对石墨密封结构进行了加热；二、热气流从空心轴内流入，空心轴内设置了隔断介质，对气流流动进行了限制，只有少量气流从多孔介质中流出，起到了保持密封腔压力的作用，漏出的气流沿轴孔隙排到大气，对旋转轴进行预热。
[0081]
以一种工况的实验过程为例：
[0082]
密封腔空心轴直径d＝200mm，转速范围0—6000n/rpm。某石墨密封结构实验件实验大纲要求其中一项实验条件为：转速3000n/rpm，气流温度400k，气流压力0.25mpa。石墨密封结构接触力不超过300g，一次实验时间不低于30分钟。
[0083]
根据实验大纲要求，实验压力为0.25mpa，对储气罐需要加压到1.5*0.25＝0.375mpa以上，因此对储气罐大气冲压到0.4mpa。测量石墨密封结构重量g1＝125.457g。
[0084]
安装石墨密封结构。调整接触力为零，打开截止阀，打开加热器，加热器设定温度为400k，调整气流压力为0.25mpa，通过观察密封腔前室温压传感器作为控制数据。热气流开始对空心轴和石墨密封结构加热，此时石墨密封温度传感器监测石墨密封结构的温度变化，呆温度达到400k，误差
±5°
范围内。认为实验系统预热完成。
[0085]
设定电机转速为3000n/rpm,变频器控制电机，监测转速传感器，待转速稳定后，对石墨密封结构施加接触力，根据实验要求定为200g。开始计时，实验时间为30分钟。
[0086]
实验时间到，调节石墨密封接触力为零，关闭变频器，停止电机转动，关闭加热器，对系统进行冷却通风，观察温度传感器，待温度接近于室温，拆卸石墨密封装置进行。
[0087]
测量重量g2＝125.4523g。因此记录实验数据表如以下表1所示：
[0088][0089]
表1
[0090]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。