本發(fā)明涉及非接觸式柱面流體密封和氣體潤(rùn)滑的，具體涉及一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)及方法，主要應(yīng)用于大型透平機(jī)械如汽輪機(jī)和壓縮機(jī)的軸端和級(jí)間密封和氣體潤(rùn)滑軸承。
背景技術(shù)：
1、非接觸式柱面間隙密封以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)和燃?xì)廨喌韧钙綑C(jī)械軸端和級(jí)間。提高柱面間隙密封的節(jié)能增效技術(shù)的創(chuàng)新和突破具有重要意義。
2、該密封固定安裝在密封腔上，內(nèi)表面加工有若干規(guī)則排布的孔腔和型槽。密封內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子外表面之間通常設(shè)計(jì)有微量徑向間隙，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)軸的安裝偏差、徑向跳動(dòng)及彎曲變形等工況需求。該微間隙也構(gòu)成了介質(zhì)泄漏的主要通道，泄漏的氣體或液體受到多次節(jié)流和膨脹作用，從而達(dá)到減少泄漏量的效果。傳統(tǒng)固定安裝的柱面間隙密封由于安裝時(shí)盲裝時(shí)的誤差，其內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子表面會(huì)形成偏心間隙。該偏心間隙對(duì)于密封的泄漏特性和動(dòng)力特性都有顯著的負(fù)面影響。
3、現(xiàn)有柱面間隙的形狀測(cè)試方法難以實(shí)現(xiàn)偏心間隙的精確測(cè)量和主動(dòng)調(diào)控。如何在實(shí)驗(yàn)室的模擬工況試驗(yàn)中精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)和測(cè)量不同偏心形狀的柱面間隙，以模擬工程實(shí)際中可能出現(xiàn)的柱面間隙密封偏心間隙形狀，對(duì)于研究不同偏心密封間隙下柱面間隙密封性能至關(guān)重要；且實(shí)際情況下，透平機(jī)械轉(zhuǎn)子運(yùn)行軌跡隨運(yùn)行工況變化而實(shí)時(shí)變化，如機(jī)組啟停、跨臨界及變工況調(diào)節(jié)下。
4、如何通過(guò)主動(dòng)控制柱面間隙密封襯的位置以實(shí)現(xiàn)間隙的實(shí)時(shí)變化，進(jìn)而適應(yīng)轉(zhuǎn)子在不同時(shí)刻的偏心渦動(dòng)，也是未來(lái)柱面間隙密封發(fā)展的重要方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決現(xiàn)有非接觸式柱面間隙密封偏心測(cè)試平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)偏心間隙的精確調(diào)節(jié)和主動(dòng)控制的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
3、一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，包括設(shè)置在轉(zhuǎn)軸外圍的浮環(huán)，設(shè)置在浮環(huán)外圍的外腔，供轉(zhuǎn)軸穿設(shè)且與浮環(huán)及外腔兩端密封連接的前端蓋、后端蓋；所述浮環(huán)的浮環(huán)內(nèi)表面與轉(zhuǎn)軸外表面之間構(gòu)成主要間隙流體流動(dòng)通道；外腔內(nèi)表面周向均布有氣囊放置凹槽，多個(gè)可獨(dú)立控制的彈性氣囊放置于氣囊放置凹槽中，并與浮環(huán)外表面接觸；所述彈性氣囊可通過(guò)外置氣路控制局部彈性氣囊充氣量，同時(shí)推動(dòng)浮環(huán)移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)間隙形狀；
4、還包括主動(dòng)控制裝置，主動(dòng)控制裝置包括位移傳感器、電渦流傳感器、電磁比例閥、控制器、pc上位機(jī)；所述前端蓋側(cè)面垂直分布有電渦流傳感器安裝孔，所述電渦流傳感器通過(guò)電渦流傳感器安裝座固定在電渦流傳感器安裝孔上監(jiān)控轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)情況；所述外腔上周向分布有位移傳感器安裝螺紋孔，位移傳感器通過(guò)所述螺紋孔安裝在外腔上實(shí)時(shí)測(cè)量浮環(huán)位移；
5、進(jìn)一步的，所述電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸的渦動(dòng)狀態(tài)，位移傳感器測(cè)量浮環(huán)的周向位置和位移；電渦流傳感器和位移傳感器的信號(hào)傳輸?shù)絧c上位機(jī)，經(jīng)過(guò)pc上位機(jī)pid算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并將其通過(guò)控制面板輸入到下游控制器，驅(qū)動(dòng)氣囊壓力入口電磁比例閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性氣囊和柱面間隙形狀的主動(dòng)控制。
6、進(jìn)一步的，所述外腔對(duì)應(yīng)彈性氣囊中心位置開(kāi)設(shè)有氣囊安裝孔，所述彈性氣囊的氣嘴螺紋部穿過(guò)外腔的氣囊安裝孔，通過(guò)連接氣動(dòng)接頭連接外置氣路。
7、進(jìn)一步的，一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，還包括間隙調(diào)整螺釘，所述間隙調(diào)整螺釘連接在外腔的間隙調(diào)整螺釘安裝孔上輔助浮環(huán)移動(dòng)。
8、進(jìn)一步的，所述后端蓋、前端蓋分別開(kāi)設(shè)有密封圈安裝槽a、密封圈安裝槽b，低摩擦o型圈分別安裝在密封圈安裝槽a和密封圈安裝槽b內(nèi)，并與浮環(huán)兩側(cè)的浮環(huán)端面接觸，防止浮環(huán)上下移動(dòng)時(shí)，間隙流體泄漏。
9、進(jìn)一步的，所述后端蓋、前端蓋與外腔接觸位置處分別設(shè)置防氣漏密封圈。
10、進(jìn)一步的，所述彈性氣囊設(shè)有4個(gè)、位移傳感器設(shè)有4個(gè)、電渦流傳感器設(shè)有2個(gè)，4個(gè)彈性氣囊、4個(gè)位移傳感器及2個(gè)電渦流傳感器各自相鄰之間皆呈90°夾角進(jìn)行布置，以實(shí)現(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)系下對(duì)浮環(huán)偏心工況與轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)工況的測(cè)量。
11、進(jìn)一步的，所述彈性氣囊呈瓦片型，其外側(cè)弧形面設(shè)有氣嘴，向彈性氣囊內(nèi)充氣時(shí)，其內(nèi)、外側(cè)弧形面會(huì)發(fā)生形變（鼓起）。
12、進(jìn)一步的，一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，包括多個(gè)沿轉(zhuǎn)軸軸向設(shè)置的彈性氣囊、位移傳感器、間隙調(diào)整螺釘，從而構(gòu)造系統(tǒng)進(jìn)出口差異性的軸向偏心不均勻間隙工況。
13、一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控方法，包括如下步驟：
14、手動(dòng)快速調(diào)整過(guò)程：
15、初始狀態(tài)下，通過(guò)間隙調(diào)整螺釘快速調(diào)整浮環(huán)的同心、偏心及三維傾斜狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同間隙工況下的初始狀態(tài)進(jìn)行快速模擬；
16、自動(dòng)智能調(diào)整過(guò)程：
17、步驟1）初始狀態(tài)下，對(duì)浮環(huán)四周的彈性氣囊均充有預(yù)定壓力的氣體；
18、步驟2）當(dāng)浮環(huán)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)偏心間隙時(shí)，位移傳感器獲取浮環(huán)相對(duì)位置信息，同時(shí)電渦流傳感器獲取轉(zhuǎn)軸的軸心位置信息，位移傳感器及電渦流傳感器分別將電壓信號(hào)傳輸給pc上位機(jī)，經(jīng)過(guò)pid算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，pc上位機(jī)分別調(diào)節(jié)彈性氣囊的壓力，并通過(guò)位移傳感器反饋浮環(huán)的位置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各時(shí)刻下的浮環(huán)偏心狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣膜間隙形狀并修正浮環(huán)偏心；
19、步驟3）當(dāng)浮環(huán)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)三維傾斜時(shí)，位移傳感器獲取浮環(huán)前、后兩端各自相對(duì)位置信息，同時(shí)電渦流傳感器獲取轉(zhuǎn)軸的軸心位置信息，位移傳感器及電渦流傳感器分別將電壓信號(hào)傳輸給pc上位機(jī)，經(jīng)過(guò)pid算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，pc上位機(jī)分別調(diào)節(jié)彈性氣囊的壓力，并通過(guò)前、后端位移傳感器反饋浮環(huán)的位置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各時(shí)刻下的浮環(huán)傾斜狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣膜間隙形狀并校正浮環(huán)三維傾斜。
20、本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
21、1）本發(fā)明在浮環(huán)背面引入可周向局部控制的主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)即柔性氣囊和相應(yīng)控制裝置，可實(shí)現(xiàn)固定靜子型柱面間隙密封實(shí)現(xiàn)包括同心環(huán)形、偏心環(huán)形或三維傾斜間隙等不同間隙形狀的便捷、精準(zhǔn)調(diào)控。以模擬工程實(shí)際中因加工和裝配誤差所形成的不同密封間隙。
22、2）該柱面間隙智能調(diào)控系統(tǒng)自適應(yīng)更強(qiáng)，周向局部控制的主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，可根據(jù)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅度和方向的不同及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)局部氣膜剛度阻尼特性和浮環(huán)位置，因而系統(tǒng)動(dòng)力特性和間隙狀態(tài)調(diào)控更加精準(zhǔn)。
23、3）本發(fā)明模擬工程實(shí)際中因加工和裝配誤差所形成的不同柱面間隙，并根據(jù)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅度和方向的不同及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)局部氣膜剛度阻尼特性和浮環(huán)位置，可實(shí)現(xiàn)間隙狀態(tài)和系統(tǒng)動(dòng)力特性實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)控。
1.一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在轉(zhuǎn)軸（1）外圍的浮環(huán)（2），設(shè)置在浮環(huán)（2）外圍的外腔（5），供轉(zhuǎn)軸穿設(shè)且與浮環(huán)（2）及外腔（5）兩端密封連接的前端蓋（6）、后端蓋（4）；所述浮環(huán)（2）的浮環(huán)內(nèi)表面（2-1）與轉(zhuǎn)軸（1）外表面之間構(gòu)成主要間隙流體流動(dòng)通道；所述外腔（5）內(nèi)表面周向均布有氣囊放置凹槽（5-2），多個(gè)可獨(dú)立控制的彈性氣囊（3）放置于氣囊放置凹槽（5-2）中，并與浮環(huán)外表面（2-3）接觸；所述彈性氣囊（3）可通過(guò)外置氣路控制彈性氣囊（3）充氣量，同時(shí)推動(dòng)浮環(huán)（2）移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)間隙形狀；
2.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述外腔（5）對(duì)應(yīng)彈性氣囊中心位置開(kāi)設(shè)有氣囊安裝孔（5-3），所述彈性氣囊（3）的氣嘴螺紋部（3-2）穿過(guò)外腔（5）的氣囊安裝孔（5-3），通過(guò)氣動(dòng)接頭（10）連接外置氣路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，還包括間隙調(diào)整螺釘（13），所述間隙調(diào)整螺釘（13）連接在外腔（5）的間隙調(diào)整螺釘安裝孔（5-4）上輔助浮環(huán)（2）移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述后端蓋（4）、前端蓋（6）分別開(kāi)設(shè)有密封圈安裝槽a（4-1）、密封圈安裝槽b（6-1），低摩擦o型圈（7）分別安裝在密封圈安裝槽a（4-1）和密封圈安裝槽b（6-1）內(nèi)，并與浮環(huán)（2）兩側(cè)的浮環(huán)端面（2-2）接觸，防止浮環(huán)上下移動(dòng)時(shí)，間隙流體泄漏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述后端蓋（4）、前端蓋（6）與外腔（5）接觸位置處分別設(shè)置防氣漏密封圈（8）。
6.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述彈性氣囊（3）設(shè)有4個(gè)、位移傳感器（9）設(shè)有4個(gè)、電渦流傳感器（12）設(shè)有2個(gè)，4個(gè)彈性氣囊（3）、4個(gè)位移傳感器（9）及2個(gè)電渦流傳感器（12）各自相鄰之間皆呈90°夾角進(jìn)行布置，以實(shí)現(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)系下對(duì)浮環(huán)（2）偏心工況與轉(zhuǎn)軸（1）動(dòng)態(tài)工況的測(cè)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述彈性氣囊（3）呈瓦片型，其外側(cè)弧形面設(shè)有氣嘴，向彈性氣囊（3）內(nèi)充氣時(shí)，其內(nèi)、外側(cè)弧形面會(huì)發(fā)生形變。
8.根據(jù)權(quán)利要求3一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括多個(gè)沿轉(zhuǎn)軸（1）軸向設(shè)置的彈性氣囊（3）、位移傳感器（9）、間隙調(diào)整螺釘（13），從而構(gòu)造系統(tǒng)進(jìn)、出口差異性的軸向偏心不均勻間隙工況。
9.一種基于主動(dòng)氣囊驅(qū)動(dòng)的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控方法，其特征在于，包括如下步驟：