本發(fā)明涉及非接觸式柱面流體密封和氣體潤滑的，具體涉及一種基于主動氣囊驅(qū)動的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)及方法，主要應用于大型透平機械如汽輪機和壓縮機的軸端和級間密封和氣體潤滑軸承。
背景技術：
1、非接觸式柱面間隙密封以其結(jié)構簡單、安裝便捷、高可靠性等優(yōu)點被廣泛應用于汽輪機和燃氣輪等透平機械軸端和級間。提高柱面間隙密封的節(jié)能增效技術的創(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計有微量徑向間隙，以補償轉(zhuǎn)軸的安裝偏差、徑向跳動及彎曲變形等工況需求。該微間隙也構成了介質(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盲裝時的誤差，其內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子表面會形成偏心間隙。該偏心間隙對于密封的泄漏特性和動力特性都有顯著的負面影響。
3、現(xiàn)有柱面間隙的形狀測試方法難以實現(xiàn)偏心間隙的精確測量和主動調(diào)控。如何在實驗室的模擬工況試驗中精準地調(diào)節(jié)和測量不同偏心形狀的柱面間隙，以模擬工程實際中可能出現(xiàn)的柱面間隙密封偏心間隙形狀，對于研究不同偏心密封間隙下柱面間隙密封性能至關重要；且實際情況下，透平機械轉(zhuǎn)子運行軌跡隨運行工況變化而實時變化，如機組啟停、跨臨界及變工況調(diào)節(jié)下。
4、如何通過主動控制柱面間隙密封襯的位置以實現(xiàn)間隙的實時變化，進而適應轉(zhuǎn)子在不同時刻的偏心渦動，也是未來柱面間隙密封發(fā)展的重要方向。
技術實現(xiàn)思路
1、為解決現(xiàn)有非接觸式柱面間隙密封偏心測試平臺難以實現(xiàn)偏心間隙的精確調(diào)節(jié)和主動控制的問題，本發(fā)明提供了一種基于主動氣囊驅(qū)動的柱面間隙形狀智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
2、本發(fā)明所采用的技術方案為：
3、一種基于主動氣囊驅(qū)動的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，包括設置在轉(zhuǎn)軸外圍的浮環(huán)，設置在浮環(huán)外圍的外腔，供轉(zhuǎn)軸穿設且與浮環(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)軸外表面之間構成主要間隙流體流動通道；外腔內(nèi)表面周向均布有氣囊放置凹槽，多個可獨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外置氣路控制局部彈性氣囊充氣量，同時推動浮環(huán)移動，進而調(diào)節(jié)間隙形狀；
4、還包括主動控制裝置，主動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；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，位移傳感器通過所述螺紋孔安裝在外腔上實時測量浮環(huán)位移；
5、進一步的，所述電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)軸的渦動狀態(tài)，位移傳感器測量浮環(huán)的周向位置和位移；電渦流傳感器和位移傳感器的信號傳輸?shù)絧c上位機，經(jīng)過pc上位機pid算法對信號進行處理，并將其通過控制面板輸入到下游控制器，驅(qū)動氣囊壓力入口電磁比例閥，實現(xiàn)對彈性氣囊和柱面間隙形狀的主動控制。
6、進一步的，所述外腔對應彈性氣囊中心位置開設有氣囊安裝孔，所述彈性氣囊的氣嘴螺紋部穿過外腔的氣囊安裝孔，通過連接氣動接頭連接外置氣路。
7、進一步的，一種基于主動氣囊驅(qū)動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。
8、進一步的，所述后端蓋、前端蓋分別開設有密封圈安裝槽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)上下移動時，間隙流體泄漏。
9、進一步的，所述后端蓋、前端蓋與外腔接觸位置處分別設置防氣漏密封圈。
10、進一步的，所述彈性氣囊設有4個、位移傳感器設有4個、電渦流傳感器設有2個，4個彈性氣囊、4個位移傳感器及2個電渦流傳感器各自相鄰之間皆呈90°夾角進行布置，以實現(xiàn)笛卡爾坐標系下對浮環(huán)偏心工況與轉(zhuǎn)軸動態(tài)工況的測量。
11、進一步的，所述彈性氣囊呈瓦片型，其外側(cè)弧形面設有氣嘴，向彈性氣囊內(nèi)充氣時，其內(nèi)、外側(cè)弧形面會發(fā)生形變（鼓起）。
12、進一步的，一種基于主動氣囊驅(qū)動的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，包括多個沿轉(zhuǎn)軸軸向設置的彈性氣囊、位移傳感器、間隙調(diào)整螺釘，從而構造系統(tǒng)進出口差異性的軸向偏心不均勻間隙工況。
13、一種基于主動氣囊驅(qū)動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、手動快速調(diào)整過程：
15、初始狀態(tài)下，通過間隙調(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)，實現(xiàn)對不同間隙工況下的初始狀態(tài)進行快速模擬；
16、自動智能調(diào)整過程：
17、步驟1）初始狀態(tài)下，對浮環(huán)四周的彈性氣囊均充有預定壓力的氣體；
18、步驟2）當浮環(huán)相對于轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)偏心間隙時，位移傳感器獲取浮環(huán)相對位置信息，同時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傳輸給pc上位機，經(jīng)過pid算法進行動態(tài)調(diào)整，pc上位機分別調(diào)節(jié)彈性氣囊的壓力，并通過位移傳感器反饋浮環(huán)的位置，實時調(diào)節(jié)各時刻下的浮環(huán)偏心狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)氣膜間隙形狀并修正浮環(huán)偏心；
19、步驟3）當浮環(huán)相對于轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)三維傾斜時，位移傳感器獲取浮環(huán)前、后兩端各自相對位置信息，同時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傳輸給pc上位機，經(jīng)過pid算法進行動態(tài)調(diào)整，pc上位機分別調(diào)節(jié)彈性氣囊的壓力，并通過前、后端位移傳感器反饋浮環(huán)的位置，實時調(diào)節(jié)各時刻下的浮環(huán)傾斜狀態(tài)，實現(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控制結(jié)構即柔性氣囊和相應控制裝置，可實現(xiàn)固定靜子型柱面間隙密封實現(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、精準調(diào)控。以模擬工程實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)自適應更強，周向局部控制的主動控制結(jié)構相對獨立，可根據(jù)轉(zhuǎn)軸振動幅度和方向的不同及時調(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)動力特性和間隙狀態(tài)調(diào)控更加精準。
23、3）本發(fā)明模擬工程實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)軸振動幅度和方向的不同及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)局部氣膜剛度阻尼特性和浮環(huán)位置，可實現(xiàn)間隙狀態(tài)和系統(tǒng)動力特性實時、精準調(diào)控。
1.一種基于主動氣囊驅(qū)動的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括設置在轉(zhuǎn)軸（1）外圍的浮環(huán)（2），設置在浮環(huán)（2）外圍的外腔（5），供轉(zhuǎn)軸穿設且與浮環(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）外表面之間構成主要間隙流體流動通道；所述外腔（5）內(nèi)表面周向均布有氣囊放置凹槽（5-2），多個可獨立控制的彈性氣囊（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）可通過外置氣路控制彈性氣囊（3）充氣量，同時推動浮環(huán)（2）移動，進而調(diào)節(jié)間隙形狀；
2.根據(jù)權利要求1一種基于主動氣囊驅(qū)動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）對應彈性氣囊中心位置開設有氣囊安裝孔（5-3），所述彈性氣囊（3）的氣嘴螺紋部（3-2）穿過外腔（5）的氣囊安裝孔（5-3），通過氣動接頭（10）連接外置氣路。
3.根據(jù)權利要求1一種基于主動氣囊驅(qū)動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。
4.根據(jù)權利要求1一種基于主動氣囊驅(qū)動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）分別開設有密封圈安裝槽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)上下移動時，間隙流體泄漏。
5.根據(jù)權利要求1一種基于主動氣囊驅(qū)動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）接觸位置處分別設置防氣漏密封圈（8）。
6.根據(jù)權利要求1一種基于主動氣囊驅(qū)動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）設有4個、位移傳感器（9）設有4個、電渦流傳感器（12）設有2個，4個彈性氣囊（3）、4個位移傳感器（9）及2個電渦流傳感器（12）各自相鄰之間皆呈90°夾角進行布置，以實現(xiàn)笛卡爾坐標系下對浮環(huán)（2）偏心工況與轉(zhuǎn)軸（1）動態(tài)工況的測量。
7.根據(jù)權利要求1一種基于主動氣囊驅(qū)動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)弧形面設有氣嘴，向彈性氣囊（3）內(nèi)充氣時，其內(nèi)、外側(cè)弧形面會發(fā)生形變。
8.根據(jù)權利要求3一種基于主動氣囊驅(qū)動的柱面間隙形狀智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，包括多個沿轉(zhuǎn)軸（1）軸向設置的彈性氣囊（3）、位移傳感器（9）、間隙調(diào)整螺釘（13），從而構造系統(tǒng)進、出口差異性的軸向偏心不均勻間隙工況。
9.一種基于主動氣囊驅(qū)動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：