一种超低温介质动密封试验装置的制作方法

本发明属于密封试验技术领域，具体涉及一种超低温介质动密封试验装置。

背景技术：

近年来，液氢、液氧、液氮等超低温介质广泛应用于航天发动机燃料供给、超低温冷却加工、低温微创手术等领域。其中，液体火箭发动机涡轮泵、液氮内喷式超低温加工主轴、中空传输式超低温加工刀柄等关键部件均涉及超低温介质动密封技术。

可靠密封是保证上述部件安全、高效、稳定运行的关键。研究表明，密封问题引起的故障约占火箭发动机总故障的12.5％，泄漏导致燃料消耗增加3％～10％；液氮泄漏致使超低温加工主轴及刀柄出现配合、润滑、转动失效，同时严重破坏液氮传输的稳定性，进而无法保证刀尖持续稳定射流。因此，设计合理的密封结构，获得优异的密封性能至关重要。超低温介质的低温特性易导致密封试验装置结构变形、精度丧失，甚至在中间环节产生泄漏等问题；同时超低温介质极易气化，导致其泄漏量难以使用常规流量计测量。上述问题对超低温介质动密封试验装置的隔热能力、结构稳定性、传感器耐低温性、测量信息获取与精度保障等方面提出了很高的要求。

目前，国内外机构针对超低温介质，研制出多种动密封试验装置。2018年，张国渊在《航空动力学报》第33卷第5期发表文章《高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验》中介绍了一种机械密封试验装置，该装置中液氮流经密封结构，测得密封端面之间的摩擦力与泄漏量，获悉密封面的接触状态与密封性能，但未能得到密封中流体压力与温度的变化规律。2018年，北京航天动力研究所在发明专利201810352843.6中公开了“一种液体火箭发动机涡轮泵用低温高速端面密封试验装置”，该装置模拟涡轮泵的工作环境，保证了足够的工作精度与低温稳定性，可测量液氮的压力、温度、泄漏量、转子转速与系统功率，但未考虑试验装置内部的隔热问题，也未说明泄漏量的具体测量方法。

上述研究未能全面反映密封结构对超低温介质密封特性的影响规律，未对试验装置内与流体接触的区域进行隔热处理，未明确少许泄漏或超低温介质气化后泄漏量的测量方法，同时对密封类型的研究存在一定的局限性。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在试验装置难以实现超低温介质动密封多层次、高精度测试的问题，本发明提出了一种超低温介质动密封试验装置。该动密封试验装置采用真空转子与隔热定子，最大限度地防止外界热量输入引发的超低温介质气化；装置内安装耐超低温的压力、温度、位移、气体浓度与电机功率传感器，获取全方位的密封性能表征数据；装置结构适应性强，可完成对迷宫、刷式、蜂窝、唇形密封等多种径向密封形式的试验研究；通过更换转子末端轴套，研究密封间隙及表面织构对密封性能的影响；采用伺服电机控制试验转速，实现多工况条件下的密封测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超低温介质动密封试验装置，其特征在于，该超低温介质动密封试验装置包括定子组件、转子组件、滑台5.2、伺服电机组件和传感器组件；所述定子组件与转子组件配合形成动密封试验结构，伺服电机组件为转子组件提供动力，传感器组件用于检测密封状态；

所述的定子组件包括真空软管1.1、螺母1.2、金属定子1.3、隔热套1.4、压盖1.6、沉头螺钉一1.7、沉头螺钉二1.8、静密封圈1.9、动密封圈1.10和测量腔1.11；金属定子1.3为变直径的圆筒形结构，其小直径段作为介质入口管1.a，金属定子1.3的变直径处端面开有位移传感器安装孔一1.c，金属定子1.3的圆周表面开有传感器安装口；真空软管1.1与金属定子1.3的介质入口管1.a通过螺母1.2连接；隔热套1.4为圆筒形结构，一端封闭并在中心处设有介质入口，隔热套1.4的封闭端非圆心处开有位移传感器安装孔二1.d，隔热套1.4采取过盈配合方式装配到金属定子1.3内，位移传感器安装孔一1.c的轴线和位移传感器安装孔二1.d的轴线重合，隔热套1.4的介质入口与介质入口管1.a连通；密封件1.5采取过盈配合方式装配到金属定子1.3内；隔热套1.4和密封件1.5并列装配；金属定子1.3、隔热套1.4和密封件1.5的轴线重合；压盖1.6通过沉头螺钉一1.7、沉头螺钉二1.8安装在金属定子1.3的开放端，用于压紧隔热套1.4和密封件1.5，压盖1.6上开有通孔；测量腔1.11为空心的薄壁圆柱形结构，在两个端面分别开有大小不同的两个通孔，分别对应金属定子1.3大直径端和真空转子2.1的外径尺寸；静密封圈1.9粘在金属定子1.3所在位置对应的通孔处，保证静密封；动密封圈1.10粘在真空转子2.1所在位置对应的通孔处，保证动密封；所述测量腔1.11通过压紧静密封圈1.9固定在金属定子1.3外侧；

所述的滑台5.2通过四个螺栓一5.5安装在底座5.1上；滑台5.2包括滑座5.3和螺纹杆；所述滑座5.3在螺纹杆的作用下定向移动；定子组件通过支座1.12安装在滑座5.3上，支座1.12和滑座5.3间由四个螺栓二5.6固定；定子组件随滑座5.3定向移动；

所述的转子组件包括真空转子2.1、轴套2.2、螺钉一2.3、螺钉二2.4、前轴承2.5、后轴承2.6和联轴器2.8；真空转子2.1为变外径的圆柱形中空结构，沿轴线开有转子内通道2.a，用于介质流通；所述真空转子2.1内部开有环形的真空腔2.b，真空腔2.b与真空转子2.1同轴，用于为真空转子2.1创造绝热条件；真空转子2.1中部开有转子外孔2.7，转子外孔2.7与转子内通道2.a连通，用于排放介质；轴套2.2为一端封闭的薄壁套筒结构，其封闭端开有通孔，该通孔与转子内通道2.a相连通，用于介质流通；轴套2.2套装在真空转子2.1的小直径段外侧，轴套2.2和真空转子2.1间为过盈配合，其端部通过螺钉一2.3和螺钉二2.4固定；在真空转子2.1总长度的1/3处和2/3处安装前轴承2.5和后轴承2.6，前轴承2.5装配在前轴承座5.7中；后轴承2.6装配在后轴承座5.8中；轴承座5.7通过两个螺栓三5.9安装在底座5.1上；后轴承座5.8通过两个螺栓四5.10安装在底座5.1上；前轴承2.5与后轴承2.6同轴；真空转子2.1的轴线与金属定子1.3的轴线重合；

所述的定子组件在滑台5.2的推动下，使轴套2.2穿过测量腔1.11和压盖1.6进入金属定子1.3内部，使定子组件套装在转子组件外侧；所述介质入口管1.a的定子内通道1.b、隔热套1.4的介质入口、轴套2.2的通孔和转子内通道2.a共同组成介质的流通通道；所述测量腔1.11和转子组件间由动密封圈1.10动密封；

所述的伺服电机组件包括电机3.1、伺服驱动器3.2和缆线3.3；电机3.1通过联轴器2.8与真空转子2.1直连，并保证两者同轴；电机3.1与伺服驱动器3.2通过缆线3.3相连，用于传输信号，实现电机控制；电机3.1通过四个螺栓七5.15安装在电机支架5.13上；电机支架5.13通过四个螺栓六5.14安装在电机座5.11上；电机座5.11通过四个螺栓五5.12安装在底座5.1上；

所述的传感器组件包括耐低温的位移传感器4.1、温度传感器一4.2、温度传感器二4.3、温度传感器三4.4、温度传感器四4.5、温度传感器五4.6、温度传感器六4.7、温度传感器七4.8、温度传感器八4.9、温度传感器九4.10、温度传感器十4.11、温度传感器十一4.12、温度传感器十二4.13、压力传感器一4.14、压力传感器二4.15、压力传感器三4.16、压力传感器四4.17、压力传感器五4.18、压力传感器六4.19、压力传感器七4.20、气体浓度传感器4.21和功率传感器4.22；位移传感器4.1安装在位移传感器安装孔一1.c和位移传感器安装孔二1.d内，用于测量超低温下真空转子2.1的轴向变形，位移传感器4.1与位移传感器安装孔一1.c、移传感器安装孔二1.d之间的缝隙用粘结剂封死，防止超低温介质泄漏；所述温度传感器一4.2于安装点一4.a安装在金属定子1.3外侧，用于测量金属定子1.3外表面的温度；温度传感器二4.3于安装点二4.b安装在金属定子1.3外侧，温度传感器二4.3的安装孔为盲孔，该盲孔底部与金属定子1.3内表面的距离为0.5mm，用于测量金属定子1.3内表面的温度；温度传感器三4.4于安装点三4.c安装在金属定子1.3外侧，并插入隔热套1.4内，温度传感器三4.4的安装孔为盲孔，该盲孔底部与隔热套1.4外表面的距离为0.5mm，用于测量隔热套1.4外表面的温度；温度传感器四4.5于安装点四4.d安装在金属定子1.3外侧，并插入隔热套1.4内，温度传感器四4.5的安装孔为盲孔，该盲孔底部与隔热套1.4内表面的距离为0.5mm，用于测量隔热套1.4内表面的温度；温度传感器五4.6于安装点五4.e安装在金属定子1.3外侧，并穿过隔热套1.4，用于测量密封前超低温介质的温度；在金属定子1.3的传感器安装口内，温度传感器六4.7、温度传感器七4.8、温度传感器八4.9、温度传感器九4.10、温度传感器十4.11、温度传感器十一4.12和温度传感器十二4.13分别于安装点六4.f、安装点七4.g、安装点八4.h、安装点九4.i、安装点十4.j、安装点十一4.k和安装点十二4.l安装在密封件1.5外侧，并穿过密封件1.5，用于测量不同位置处超低温介质的温度变化情况；在金属定子1.3的传感器安装口内，压力传感器一4.14、压力传感器二4.15、压力传感器三4.16、压力传感器四4.17、压力传感器五4.18、压力传感器六4.19和压力传感器七4.20分别于安装点十三4.m、安装点十四4.n、安装点十五4.o、安装点十六4.p、安装点十七4.q、安装点十八4.r和安装点十九4.s安装在密封件1.5外侧，并穿过密封件1.5，用于测量不同位置处超低温介质的压力变化情况；每个温度传感器和压力传感器的安装点的缝隙都用粘结剂封死，防止泄漏；气体浓度传感器4.21安装在测量腔1.11的端面上，气体浓度传感器4.21的测量面穿过测量腔1.11位于测量腔1.11内部，用于实现超低温介质泄漏量的实时测量；功率传感器4.22安装在伺服驱动器3.2上，用于测量电机3.1的负载功率；

开展超低温介质动密封测试试验时，超低温介质从真空软管1.1进入介质入口管1.a，介质通过定子内通道1.b与转子内通道2.a，从转子外孔2.7喷出；少部分介质通过隔热套1.4与轴套2.2端面的间隙进入泄漏腔1.e中，经密封件1.5后泄漏至测量腔1.11中；通过气体浓度传感器4.21测量测量腔1.11内气体的浓度来确定密封件1.5的密封性能。

本发明的有益效果是采用真空转子与低热导率定子结构，大幅提升试验装置的隔热能力，避免了外界热传输造成的超低温介质蒸发，从而消除了蒸发现象对空化结果的干扰；试验装置内表征密封状态的传感器种类齐全，保证了密封特征参数测量的全面性；密封件与轴套可作灵活更换，有利于在不改造试验装置的前提下对不同的密封结构进行研究；金属定子圆周表面局部挖空的结构设计，便于因密封件更换而调整传感器的安装位置；虑及超低温介质室温常压下极易气化的特性，采用气体浓度传感器测量泄漏量，原理简单且测量精度高；采用伺服电机控制转子速度，实现了多工况及启停瞬间密封特性的试验测量。

附图说明

图1为超低温介质动密封试验装置的结构示意图；

图2为定子与密封件中传感器布置示意图；

图3为密封测试结构示意图。

图中：1.1-真空软管；1.2-螺母；1.3-金属定子；1.4-隔热套；1.5-密封件；1.6-压盖；1.7-沉头螺钉一；1.8-沉头螺钉二；1.9-静密封圈；1.10-动密封圈；1.11-测量腔；1.12-支座；1.a-介质入口管；1.b-定子内通道；1.c-位移传感器安装孔一；1.d-位移传感器安装孔二；1.e-泄漏腔；2.1-真空转子；2.2-轴套；2.3-螺钉一；2.4-螺钉二；2.5-前轴承；2.6-后轴承；2.7-转子外孔；2.8-联轴器；2.a-转子内通道；2.b-真空腔；3.1-电机；3.2-伺服驱动器；3.3-缆线；4.1-位移传感器；4.2-温度传感器一；4.3-温度传感器二；4.4-温度传感器三；4.5-温度传感器四；4.6-温度传感器五；4.7-温度传感器六；4.8-温度传感器七；4.9-温度传感器八；4.10-温度传感器九；4.11-温度传感器十；4.12-温度传感器十一；4.13-温度传感器十二；4.14-压力传感器一；4.15-压力传感器二；4.16-压力传感器三；4.17-压力传感器四；4.18-压力传感器五；4.19-压力传感器六；4.20-压力传感器七；4.21-气体浓度传感器；4.22-功率传感器；4.a-安装点一；4.b-安装点二；4.c-安装点三；4.d-安装点四；4.e-安装点五；4.f-安装点六；4.g-安装点七；4.h-安装点八；4.i-安装点九；4.j-安装点十；4.k-安装点十一；4.l-安装点十二；4.m-安装点十三；4.n-安装点十四；4.o-安装点十五；4.p-安装点十六；4.q-安装点十七；4.r-安装点十八；4.s-安装点十九；5.1-底座；5.2-滑台；5.3-滑座；5.4-刻度尺；5.5-螺栓一；5.6-螺栓二；5.7-前轴承座；5.8-后轴承座；5.9-螺栓三；5.10-螺栓四；5.11-电机座；5.12-螺栓五；5.13-电机支架；5.14-螺栓六；5.15-螺栓七。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

本实施例中，超低温介质为液氮，温度低于-180℃，供给压力为0.5mpa；金属定子1.3材料为316l不锈钢，用于传感器安装的安装口高为66mm、宽为1/3圆周；轴套2.2材料为硬质合金，外径为30mm，硬度为55hrc，精磨后粗糙度为ra0.5；底座5.1等支撑组件材料均为45钢；测量腔1.11的材料为亚克力；静密封圈1.9与动密封圈1.10的材料为氟橡胶，工作温度范围-20～280℃；前轴承2.5与后轴承2.6为nsk角接触球轴承，内径为35mm；真空腔2.b的导热率为0；隔热套1.4的材料为聚酰亚胺，其导热系数为0.29w/(m·k)，线膨胀系数为2×10^-5/℃；实施例中待测试密封性的密封件1.5为迷宫型密封件，材料为聚酰亚胺，结构参数包括：内径30.2mm、外径55mm、齿数6、齿高5mm、齿距5.8mm、齿尖宽0.8mm、前倾角80°、后倾角60°；位移传感器4.1量程为0.5～1.5mm，分辨率为0.001mm，外形尺寸为φ6×10mm；所有温度传感器量程为-220～100℃；所有压力传感器量程为0.1～1.6mpa，精度为0.5％fs；测温孔与测压孔的直径均为1mm；实施例中气体浓度传感器4.21采用氮气浓度传感器，分辨率为0.01％vol；功率传感器4.22精度为0.2％fs；上述传感器均可在-200℃环境中正常工作，输出均为4～20ma信号；电机3.1最高转速为12000rpm；伺服驱动器3.2可实现电机启停、正反转控制以及无极调速；滑台5.2最大移动范围为274mm，最小分辨率为0.01mm；刻度尺5.4量程为300mm，分辨率为0.5mm。

超低温介质动密封试验装置安装过程如下：如附图1、2、3所示，第一步按设计加工测温孔与测压孔，依次将隔热套1.4与密封件1.5通过过盈配合装配到金属定子1.3内，保证测量孔对正，用压盖1.6将热套1.4和密封件1.5压紧，并使用沉头螺钉一1.7、沉头螺钉二1.8将压盖1.6与金属定子1.3紧固；再通过四个螺栓二5.6将金属定子1.3固定在安置于底座5.1上的滑台5.2上；然后将静密封圈1.9与动密封圈1.10用粘结剂粘在测量腔1.11的两侧内孔凹槽中，通过过盈配合将静密封圈1.9固定在金属定子1.3右端圆周表面上，距离右端面15mm，并保证无相对转动；

第二步，将前轴承座5.7、后轴承座5.8、电机座5.11、伺服驱动器3.2依次安装在底座5.1上，通过缆线3.3连接电机3.1与伺服驱动器3.2；再将轴套2.2采用较小过盈量安装在真空转子2.1左端，并在接触端面上用螺钉一2.3、螺钉二2.4紧固；

第三步，将真空转子2.1置于前轴承座5.7与后轴承座5.8的内孔中，并将前轴承2.5与后轴承2.6分别装配在真空转子2.1、前轴承座5.7、后轴承座5.8对应的配合面中，要求前后轴承与定子的同轴度达到5μm；之后顺次将电机支架5.13安装在电机座5.11，电机3.1安装在电机支架5.13上；采用联轴器2.8连接电机3.1与真空转子2.1，并保证两者同轴度为5μm；

第四步，将位移传感器4.1安装在位移传感器安装孔一1.c和位移传感器安装孔二1.d内，保证其测量面与隔热套1.4内侧端面平齐，并用粘结剂将缝隙封死；将温度传感器4.2～4.13依次装入金属定子1.3、隔热套1.4、密封件1.5的测温孔内，用粘结剂将缝隙封死；将压力传感器4.14～4.20依次装入密封件1.5中与温度传感器4.7～4.13位于同一圆周的测压孔内，用粘结剂将缝隙封死；将气体浓度传感器4.21安装在测量腔1.11中，测量面处于测量腔1.11内部，用粘结剂将缝隙封死；将功率传感器4.22安装在伺服驱动器3.2上；

开展超低温介质动密封测试试验时，先通过螺母1.2将真空软管1.1与金属定子1.3的介质入口管1.a连接；然后摇动滑台5.2，将真空转子2.1的左端插入金属定子1.3的内孔中，通过滑台5.2上的刻度尺5.4读取移动距离，直至轴套2.2与隔热套1.4端面间隙值达到1mm，之后将滑台5.2锁死，同时保证动密封圈1.10与真空转子2.1外表面稍许过盈且可以相对转动；通过伺服驱动器3.2完成转速设置，并启动电机3.1；超低温介质从真空软管1.1进入介质入口管1.a，介质通过定子内通道1.b与转子内通道2.a，从转子外孔2.7喷出；少部分介质通过隔热套1.4与轴套2.2端面间隙进入泄漏腔1.e，经密封件1.5的密封作用后泄漏至测量腔1.11中；此时，通过位移传感器4.1、温度传感器4.2～4.13、压力传感器4.14～4.20、气体浓度传感器4.21、功率传感器4.22，获得密封过程中转子轴向低温变形量、定子与液氮介质温度场、液氮介质压力场、液氮泄漏量和电机负载功率，完成该密封结构的密封特性测试试验研究。

本文发明有效地模拟了实际工程应用中的近似绝热环境，使得超低温介质气化来源更接近真实情况，消除了动密封研究中蒸发传质对空化传质的干扰影响；隔热设计有利于减小结构的低温变形，保证了试验装置运行的稳定性；密封件类型与结构更换方便，达到了无需改动试验装置即可测试多种密封结构的目的；多传感器合理选取与布置，实现了超低温介质动密封特性全面、准确、高效试验测试。