一种用于非接触密封的偏心调节减振装置的制造方法
【专利摘要】一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，其主要作用是通过调整密封静子的径向位置来减小或消弱转子偏心，抑制流体激振，属于振动控制技术领域。该减振装置包括信号监测分析系统和执行系统，实时信号监测分析系统由电涡流位移传感器、压力传感器、接线端子、信号调理模块、数据采集卡及计算机组成；执行系统由驱动器、步进电机、丝杠、滑块及滑块与密封静子的刚性连接组成。与现有技术相比，结构新颖，能够从减小或消除转子偏心出发，对密封结构进行偏心调节，解决密封间隙周向压力不均引起的流体激振问题，可根据转子的偏心程度和转轴振动情况灵活调整，整个过程连续闭环可控，简单直接，减振效果良好。
【专利说明】
一种用于非接触密封的偏心调节减振装置
技术领域
[0001]本发明是一种运用于旋转流体机械非接触密封的偏心调节减振装置，主要用于控制汽轮机、燃气轮机、水轮机、鼓风机等旋转机械的密封流体激振，属于振动控制技术领域。
【背景技术】
[0002]汽轮机、燃气轮机、水轮机、鼓风机等透平机械是航空、电力、石化行业的核心设备，随着工业的快速发展，透平机械渐往大型化、高转速、高负荷等满足各类复杂工况的需求方向发展，这些发展趋势，对透平机械的安全、高效和可靠运行也提出了更高要求。由于大型透平机械密封间隙的不断减小，蒸汽压力、流量等参数的不断提高，流体激振力也随之增大，引起的密封流体激振问题更为严重。现如今，密封流体激振已成为许多转子强烈振动的根源。
[0003]研究认为，密封流体激振的产生，主要是因为流体以很高的速度进入密封腔，入口的预旋和转子的转动使其在轴向运动的基础上又产生周向速度，螺旋流出，而由于转子不平衡量引起的轴系涡动或其他某种原因导致的转子偏心，致使密封间隙的周向压力分布不均，转子受到由间隙小一侧流体作用，形成垂直于转子偏心方向的激振力，加剧转子涡动，当激振力大于阻尼力，则会使转子失稳、造成旋转机械破坏失效。并且激振力随间隙的周期性变化形成周期性脉动，当脉动频率接近轴系模态频率时，会引起轴系的自激振动，严重影响机组的安全运行。因而如何抑制密封流体激振，延长转子寿命，保证机械设备安全可靠运行在旋转流体机械的研究中具有极其重要的意义。
[0004]目前针对密封激振的控制方法研究，有主动控制和被动控制两大类;主动控制有反旋流技术、可控吸气技术和合成射流技术;被动控制则采用不同形式的阻尼密封、阻旋栅(swirl brakes)等结构进行抑制激振。
[0005]反旋流技术的具体方法，是在迷宫密封腔内导入一股与转子旋转方向相反的汽流，抵消密封腔气流的周向运动，破坏激振漩涡，达到抑制振动的目的。美国DRESSER-RAND公司的Memmott E A在《Stability ofHigh Pressure Centrifugal Compressor ThroughApplicat1n of Shunt Holes and a Honeycomb Labyrinth》中实验研究了高压离心压缩机平衡盘密封开分流孔(Shunt Holes)，即从隔板上游引入一股高压气体到平衡盘蜂窝梳齿密封，来减小密封腔周向速度，并且在密封入口设置有阻旋栅，实验结果表明，带有分流孔的蜂窝密封明显优于梳齿密封，使转子系统更稳定(CMVA，13th Machinery DynamicsSeminar ,Toronto，Canada，1994 ,pp.211-233.)。该技术把被动控制(蜂窝密封和阻旋栅)与主动控制(分流孔引流)结合，应用性好，但其分流孔引流压力和流量不可控，无法应对转子系统变工况运行，具有一定的局限性。尹德志在其硕士论文《密封腔吸水及可控吸气的减振实验研究》中研究的一种吸气减振技术，与反旋流的喷入办法相反，通过在密封间隙周向高压的位置吸出流体，以减小压力不平衡问题。但喷入和吸出，均有增加有效介质损失和动力能源浪费的缺点。合成射流技术机理是在流动介质的壳体上安装合成射流激励器，利用振动膜的振动改变腔体压强，带动主流场流体进出孔或狭缝，产生进入流场的涡对或涡环，起到流动控制作用，属于扰动控制，不涉及流体质量的输入或输出；国防科学技术大学的罗振兵在其硕士论文《合成射流流动机理及应用研究》中详细阐述了这一技术的机理，但它计算复杂，在密封流体激振控制方面的应用还处在潜力开发阶段。
[0006]综合来讲，现有方法的实质都是通过减小流体的周向涡动来抑制振动，但不能够解决转子的偏心问题，故而由偏心引起的周向压力不均状况仍然存在。
[0007]结合现有控制密封流体激振方法不能直接解决偏心问题，本发明采用一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，可根据偏心情况实时调整密封静子的径向位置，使其周向压力分布均匀。该装置不涉及流体的输入或输出，是根据测得的转子振动大小和密封间隙周向压力分布情况，确定密封静子的调整方向和位移大小，进行实时连续的主动控制，有效预防或抑制密封流体激振。
【发明内容】
[0008]本发明采取如下技术方案为一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，该装置包括实时信号检测分析控制系统和执行系统两部分。
[0009]所述实时信号检测分析控制系统由压力传感器6、电涡流位移传感器12、接线端子14、信号调理模块15、数据采集卡16及计算机17组成。
[0010]压力传感器6的数量为四到六个，电涡流位移传感器12的数量为一到两个。
[0011 ]压力传感器6、电祸流位移传感器12通过接线连接到计算机17;其中压力传感器6旋紧于密封静子9上，并沿周向均匀布置，探头表面与密封表面平齐。压力传感器6用于测量密封间隙内的压力，并将压力信号转换为压力电信号7;电涡流位移传感器12用于测量转子的振动位移，并将振动信号转换为振动电信号13。
[0012]所述执行系统是由驱动器19、第一步进电机1、第二步进电机4、电机座2、丝杠3、滑块5、刚性连接8、弹簧21组成。电机座2、丝杠3均为第一步进电机1、第二步进电机4的零部件，第一步进电机1、第二步进电机4的结构参数一致。滑块5通过丝杠3与第二步进电机4连接，滑块5与密封静子9通过刚性连接8固定连接。两台步进电机相互叠加，顺序为:第二步进电机4叠加在第一步进电机I上方，由第一步进电机I的丝杠3驱动，滑块5由第二步进电机4的丝杠3驱动，如此两台步进电机则组成一个轴线交叉的步进电机组23，形成具有横轴和竖轴两个方向的二维平面，此平面垂直于转子11的轴线，与密封系统的径向面平行，能够实现滑块5在此平面内的移动，并驱动密封静子9径向运动，进一步调整密封系统中转子11相对于密封面的偏心量。其中步进电机组23通过刚性连接8固定连接在密封外壳22上，密封静子9与密封外壳22之间通过O型圈10连接。
[0013]所述的实时信号检测分析控制系统和执行系统的联合工作过程为:由压力传感器6和电涡流位移传感器12分别输出的压力电信号7和振动电信号13通过接线端子14被接入信号调理模块15，调理后的信号被接入信号采集卡16内，转换为计算机17识别的数字信号，计算机17通过分析计算给出控制驱动器19运作的控制信号18，驱动器19将控制信号18转化为脉冲信号20，再由步进电机将脉冲信号20转化为角位移带动丝杠3旋转，调整密封静子9的径向位置，达到调节转子偏心的目的。根据转子11偏心量的大小即密封流体激振的激烈程度来调整密封静子9的位移量大小，密封静子9位移量的大小则通过控制脉冲数量和频率大小来控制。
[0014]所述偏心调节减振装置的作用是:当转子相对于密封面出现偏心，引起流体激振时，密封静子则往减小转子偏心的方向移动，转子重新回到相对于密封面的中心位置，使密封间隙周向均匀，达到调整周向压力均匀的目的，从根源上预防和抑制了流体激振，提升了转子稳定性。同理，可根据转子的偏心程度，控制密封静子径向位移量的大小，以适应流体激振的激烈情况。
[0015]本发明与现有的密封减振方法相比具有以下的创新点:
[0016]1.新的密封减振结构。传统的密封减振方法，如主动控制的反旋流法、吸气法，合成射流等，被动控制的阻尼密封、涡流制动器等，其密封静子都是固定不可调的。主动控制大多要在密封静子打孔，利用流体的输入或输出来平衡周向压力，直接控制的对象为流体；被动控制则采用改变密封面的结构来抑制流体涡旋的大量形成，以缓解流体激振，直接控制的对象为密封面。这些方法的作用都是调整流体的周向速度，但不能解决转子偏心的问题。而本发明的主要思路是，以偏心引起激振为依据，通过调整密封静子的径向位置来减小或消除偏心，使周向压力回归平衡，减弱流体激振，提升转子稳定性;直接控制的对象为密封静子，作用是调整偏心，这是传统密封减振方法中所没有的。此外，现有的主动控制办法主要是直接干涉流场，但是干涉的程度很难准确把握，这会额外增加流场的不稳定性因素或影响机器运行效率，造成动力资源的浪费，而本发明采取相对于密封面减小转子偏心量的办法，解决密封流体激振问题，目的明确，方法简单。
[0017]2.新的用于密封减振的执行器。本发明通过调整密封静子的径向位置来减小转子的偏心量，以缓解流体激振，所采用的执行器由带有丝杠滑块机构的两台同样参数的步进电机组成，可以无障碍实现密封径向平面的精确定位和移动;核心滑块与密封静子采用刚性连接，所移动平面与密封径向面平行，有力保证了密封静子径向位置的精确调整，起到减小或消除偏心的作用，达到减弱流体激振的目的。
[0018]3.对密封腔内不同程度流体激振的适应性强。实时信号检测和分析系统根据电涡流位移传感器测得的转轴振动大小和压力传感器测得的周向压力分布情况，得到转子的偏心程度，给出能够实现所需相应位移的控制信号，实现对密封静子不同程度的径向调整以减小或消除偏心。
[0019]4.能够形成实时闭环连续的自适应控制。本发明的控制系统可以使密封偏心调节减振装置实时在线连续调节密封静子径向位置，计算机根据振动电信号和压力电信号，给出控制信号控制驱动器，进而控制步进电机滑块机构和密封静子，从而可根据转子振动情况和密封系统周向压力实时状态及时调整密封静子的径向位置，减小或消除转子偏心，控制流体激振。
[0020]5.可靠性高。本发明与传统流体激振的主动控制方法相比，不涉及流体输入或输出，无需流体储存装置，也不受外界环境影响，能够长期稳定工作;且能实时控制转子的偏心量，从根源预防或消除流体激振，具有很高可靠性。
[0021]本发明所述的一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，结构新颖，方法简便，能够简单直接地调节转子相对于密封面的偏心量，预防或消除流体激振的发生，性能稳定、适应性好，且控制系统优良，便于实现非接触密封流体激振的实时在线主动控制。
【附图说明】
[0022]图1为本发明闭环控制系统图
[0023]图2为本发明在转子密封系统中的结构及控制系统示意图
[0024]图3为本发明在密封系统中的安装方位示意图
[0025]图4为本发明的轴向安装方位示意图
[0026]图例说明
[0027]1.第一步进电机13.振动电信号
[0028]2.电机座14.接线端子
[0029]3.丝杠15.信号调理模块
[0030]4.第二步进电机16.数据采集卡
[0031]5.滑块17.计算机
[0032]6.压力传感器18.控制信号
[0033]7.压力电信号19.驱动器
[0034]8.刚性连接20.脉冲信号
[0035]9.密封静子21.弹簧
[0036]10.0型圈22.密封外壳
[0037]11.转子23.步进电机组
[0038]12.电涡流位移传感器
【具体实施方式】
[0039]以下结合附图具体说明本发明的密封偏心调节减振装置。
[0040]本发明是一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，可以实现实时在线连续调控密封偏心，其主动闭环控制系统如附图1所示。周向压力传感器和电涡流位移传感器实时监测转子密封腔内的压力分布和转子密封系统振动的大小，将密封间隙压力分布和转子振动转化为数据采集系统可采集的电信号，数据采集系统将信号进行滤波，调幅等处理，再将信号输入控制系统，控制系统可对这些信号进行分析、计算，分别得到振动位移的大小和周向压力分布，即高压和低压出现的位置。若转子振动剧烈，说明密封腔里产生流体激振，即转子出现偏心，周向压力分布极不均匀，由此控制系统可根据此周向压力分布情况确定转子的偏心方向，给出控制驱动器的控制信号，驱动器生成脉冲信号，控制步进电机组滑块机构的移动方位，使密封静子往减小转子偏心的方向移动，转子回到相对于密封面的中心位置，从根源预防或抑制密封流体激振的产生。
【主权项】
1.一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，其特征在于:该装置包括实时信号检测分析控制系统和执行系统两部分； 所述实时信号检测分析控制系统由压力传感器(6)、电涡流位移传感器(12)、接线端子(14)、信号调理模块(15)、数据采集卡(16)及计算机(17)组成； 压力传感器(6)、电涡流位移传感器(12)通过接线连接到计算机17;其中压力传感器(6)旋紧于密封静子(9)上，并沿周向均匀布置，探头表面与密封表面平齐;压力传感器(6)用于测量密封间隙内的压力，并将压力信号转换为压力电信号(7);电涡流位移传感器(12)用于测量转子的振动位移，并将振动信号转换为振动电信号(13); 所述执行系统是由驱动器(19)、第一步进电机(1)、第二步进电机(4)、电机座(2)、丝杠(3)、滑块(5)、刚性连接(8)、弹簧(21)组成；电机座(2)、丝杠(3)均为第一步进电机(1)、第二步进电机(4)的零部件，第一步进电机(1)、第二步进电机(4)的结构参数一致;滑块(5)通过丝杠(3)与第二步进电机(4)连接，滑块(5)与密封静子(9)通过刚性连接(8)固定连接;两台步进电机相互叠加，顺序为:第二步进电机(4)叠加在第一步进电机(I)上方，由第一步进电机(I)的丝杠(3)驱动，滑块(5)由第二步进电机4的丝杠(3)驱动，如此两台步进电机则组成一个轴线交叉的步进电机组(23)，形成具有横轴和竖轴两个方向的二维平面，此平面垂直于转子(11)的轴线，与密封系统的径向面平行，能够实现滑块(5)在此平面内的移动，并驱动密封静子(9)径向运动，进一步调整密封系统中转子(11)相对于密封面的偏心量;其中步进电机组(23)通过刚性连接(8)固定连接在密封外壳(22)上，密封静子(9)与密封外壳(22)之间通过O型圈(10)连接。2.根据权利要求1所述的一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，其特征在于:所述的实时信号检测分析控制系统和执行系统的联合工作过程为:由压力传感器(6)和电涡流位移传感器(12)分别输出的压力电信号(7)和振动电信号(13)通过接线端子(14)被接入信号调理模块(15)，调理后的信号被接入信号采集卡(16)内，转换为计算机(17)识别的数字信号，计算机(17)通过分析计算给出控制驱动器(19)运作的控制信号(18)，驱动器(19)将控制信号(18)转化为脉冲信号(20)，再由步进电机将脉冲信号(20)转化为角位移带动丝杠(3)旋转，调整密封静子(9)的径向位置，达到调节转子偏心的目的;根据转子(11)偏心量的大小即密封流体激振的激烈程度来调整密封静子(9)的位移量大小，密封静子(9)位移量的大小则通过控制脉冲数量和频率大小来控制。3.根据权利要求1所述的一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，其特征在于:所述偏心调节减振装置的作用是:当转子相对于密封面出现偏心，引起流体激振时，密封静子则往减小转子偏心的方向移动，转子重新回到相对于密封面的中心位置，使密封间隙周向均匀，达到调整周向压力均匀的目的，从根源上预防和抑制了流体激振，提升了转子稳定性；同理，可根据转子的偏心程度，控制密封静子径向位移量的大小，以适应流体激振的激烈情况。4.根据权利要求1所述的一种用于非接触密封的偏心调节减振装置，其特征在于:压力传感器(6)的数量为四到六个，电涡流位移传感器(12)的数量为一到两个。
【文档编号】F16F7/00GK105952831SQ201610279710
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】何立东, 李宽, 涂霆
【申请人】北京化工大学