一种高温-振动耦合环境金属封严环密封性能测试装置

本发明属于金属封严环密封性能测试装置，涉及一种高温-振动耦合环境金属封严环密封性能测试装置。

背景技术：

1、航空发动机和燃气轮机各机匣或工作段间的静密封装置的气体密封性能对其输出功率和热效率至关重要，静密封装置气密性提高0.2～0.6％，整机输出功率改善0.3～1.0％。金属封严环是目前最为常用的静密封装置，依据横断面不同，分为c型、o型或w型。在航空发动机中金属封严环静密封装置在高温(400～800℃)和高频振动工况下服役，封严腔体内外压力差可达0.276mpa。同时，金属封严环寿命需大于20000小时。

2、为满足以上苛刻服役环境，金属封严环多采用高温合金材质加工制造，除应具有优异的高温疲劳与蠕变性能外，在高频振动下，也应具有优异的抗微动磨损性能。因此，在对金属封严环进行结构优化设计的同时，其表面常凃镀银或铜合金等减摩材料，以保证在高温-振动耦合环境下金属封严环与安装边表面的良好贴合状态，抑制微动磨损行为，降低二次流路系统气体泄漏率。

3、为准确测量与评价航空发动机和(或)燃气轮机用金属封严环在高温-振动耦合服役工况下的密封性能，中国实用新型专利“一种外开口w型金属封严环试验台(cn214621648 u)”，将法兰盘实验腔体集成于通用实验控制台之上，实现外开口w型金属封严环的密封性能、振动和疲劳寿命测试。但是为获得较高加热效率，模拟封严环高温工况，其加热带布置于法兰盘实验腔体内部，加热电极从法兰腔体内部引出，存在较高的气体泄漏风险。同时，加热带配套的保温材料易粉化脱落污染试验法兰腔体，影响封严环泄漏率的测量准确性。此外，该实用新型专利并未公开金属封严环试验台关于振动测试的设计与实施方式，依据其公开内容，难以实现针对振动引起金属封严环出现微动磨损条件下其泄漏率的评价。

4、中国发明专利“一种多功能全工况金属弹性密封圈试验装置(cn 104359635a)”在多功能力学试验机基础上集成金属弹性密封圈试验件安装座，实现金属弹性密封圈密封性、持久性和疲劳性能试验。其中，针对密封性试验，借助压力调节装置由进气口持续通气保持密封圈内外压差，同时测量金属弹性密封圈外壁与安装座构成腔体溢出的气体流量以计算密封圈气体泄漏率。该设计结构复杂，主要存在三方面问题。首先，受压力调节装置固有结构限制，无闭环控制设计，其对密封圈内壁与安装座构成腔体压力控制稳定性较差。其次，通过流量计测量密封圈外壁与安装座构成腔体经排气孔排出的气体流量，计算密封圈泄漏率。但是法兰腔体缺少特殊密封设计，导致法兰配合面亦存在微小气体泄漏，且随实验温度提高加剧，影响金属弹性密封圈泄漏率测试的准确性。最后，密封圈试验件安装座整体固定安装于加热炉内，实验结束后冷却时间长，实验效率较低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高温-振动耦合环境金属封严环密封性能测试装置。

2、本发明提供一种高温-振动耦合环境金属封严环密封性能测试装置，包括：安装边结构模拟试验单元、气体增压-泄露量测量单元、高温-振动耦合环境模拟单元和一体化计算机控制单元；

3、金属封严环试验件安装在所述安装边结构模拟试验单元中对其进行密封，所述气体增压-泄露量测量单元通过金属管路与安装边结构模拟试验单元连接，向安装边结构模拟试验单元内通入气体并测量安装边结构模拟试验单元内的气压和金属管路中的气体流量；安装边结构模拟试验单元安装于高温-振动耦合环境模拟单元中；所述一体化计算机控制单元与气体增压-泄露量测量单元连接，并根据气压和气体流量对气体增压-泄露量测量单元进行闭环反馈控制使安装边结构模拟试验单元内保持恒压状态；所述一体化计算机控制单元与高温-振动耦合环境模拟单元连接，对温度和振动状态进行控制。

4、进一步的，所述安装边结构模拟试验单元包括：试验法兰腔体和法兰上盖，所述金属封严环试验件安装在试验法兰腔体中，法兰上盖通过紧固螺栓封盖在试验法兰腔体上；所述法兰上盖上设有进气孔，通过金属管路连接气体增压-泄露量测量单元；金属封严环分别与试验法兰腔体和法兰上盖接触位置为密封面，形成由金属封严环内壁和试验法兰腔体上下面组成的高压密封空间。

5、进一步的，所述试验法兰腔体和法兰上盖的材质相同，采用不锈钢或高温合金制成，试验法兰腔体的直径为50～200mm；紧固螺栓和螺母数量为6～12组，均匀分布于法兰上盖圆周方向，材质为不锈钢或高温合金；金属封严环试验件为c型、o型或w型。

6、进一步的，所述气体增压-泄露量测量单元包括：空气压缩机、减压阀、数字气体质量流量计和压力传感器；空气压缩机通过金属管路连接法兰上盖的进气孔，减压阀、数字气体质量流量计和压力传感器依次设置在金属管路上，气压传感器用于测量安装边结构模拟试验单元中的气体压力；数字气体质量流量计用于测量和调节金属管路的气体流量；数字气体质量流量计和压力传感器分别与一体化计算机控制单元相连接。

7、进一步的，所述高温-振动耦合环境模拟单元包括：柔性保温上盖、铠装高温加热台和电动振动平台；铠装高温加热台设置在电动振动平台上并通过金属支脚固定连接；铠装高温加热台的侧壁和底面内螺旋布置加热丝，铠装高温加热台的底面设置温度传感器，铠装高温加热台的外部包覆硅酸铝或玻璃纤维保温材料。

8、进一步的，所述柔性保温上盖材质为硅酸铝陶瓷或玻璃纤维；铠装高温加热台的加热丝为镍-铬或铂-铝材料；铠装高温加热台的壳体为不锈钢或高温合金；温度传感器为铂电阻或热电偶，加热温度30～800℃。

9、进一步的，所述一体化计算机控制单元通过modbus协议分别与气体增压-泄露量测量单元和高温-振动耦合环境模拟单元实现数据通讯，控制参数包括试验时间、气体压力、气体流量、环境温度、振动频率和振动加速度；一体化计算机控制单元根据气压传感器测量的安装边结构模拟试验单元中气体压力，反馈控制调节数字气体质量流量计的实时气体流量，实现气体压力的pid闭环控制，使安装边结构模拟试验单元内保持恒压状态；一体化计算机控制单元将测试开始后气体流量数据积分获得测试过程中通入安装边结构模拟试验单元中的气体总体积，该气体体积即为金属封严环泄漏量，单位时间泄漏量为金属封严环气体泄露率；在设定的密封性能测试流程结束后，一体化计算机控制单元直接显示输出金属封严环的气体泄漏量与泄漏率，并完成自动记录。

10、进一步的，其特征在于，安装边结构模拟试验单元和气体增压-泄露量测量单元数量为1-4组，每组气体压力可独立设置与控制，每组气体泄漏量可单独测量。

11、本发明的一种一种高温-振动耦合环境金属封严环密封性能测试装置，至少具有以下有益效果：

12、该金属封严环密封性能测试装置在进气气路上采用数字气体质量流量计和压力传感器闭环方式可稳定控制试验法兰腔体压力并实时精确测量金属封严环气体泄漏率。同时可模拟航空发动机服役高温和(或)高频振动工况，一次性进行一件或多件金属封严环的密封性能平行试验。此外，特殊的保温和隔热设计可以大幅度缩短高温-振动耦合环境金属封严环密封性能测试实验时间周期，提高设备运行的稳定性与可靠性。