一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统

技术领域

本申请属于低温流体往复泵、低温密封、制冷与低温技术领域，具体涉及一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统。

背景技术

液氢作为一种高能、超低温液体清洁燃料，是未来能源的发展方向之一。在液氢工质的输送、转注及增压等场合中，需要低温泵来驱动流体流动。通常使用往复泵对液氢进行增压和输运，比如航天领域液氢推进剂的输送和加注过程，氢能源汽车中液氢的加压与传输，液氢加氢站内液氢的转注和增压，均需要液氢往复泵。因此，在大流量和高压条件下，活塞与气缸之间的密封性能至关重要，能极大程度地影响往复泵的容积效率和运行效率。定量测量液氢通过活塞气缸间隙处的泄漏量对改进活塞气缸的机械结构及配合方式提供了方向和数据支撑，进而提高往复泵的效率，进一步地还可设计泄漏回收装置提高整个低温系统的能量利用率。

当前的活塞气缸静态泄漏测量装置只能在环境温度、最低至液氮温区(-196℃)工作，且仅能测试单一工况下特定活塞型式的密封性能，而对工作在液氢(-253℃)乃至液氦(-269℃)温区，可实现多种工况下不同型式活塞密封性能的测量系统则几乎没有。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统，可以实现低温区不同来流压力下的多种型式活塞与气缸之间密封性能的测试和性能评估，这对于有效提高液氢往复泵的容积效率具有重要意义。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统，包括：低温测试端组件、进气端组件、回收端组件，所述低温测试端组件一端与所述进气端组件连接，另一端与所述回收端组件连接，

所述低温测试端组件包括液氢储罐、法兰盖板、待测气缸、待测气缸上盖板、低温控温单元、压力表、液氢液位计，所述法兰盖板固定设置在所述液氢储罐上方，所述待测气缸、所述低温控温单元设置在所述液氢储罐内，所述待测气缸上盖板固定设置在所述待测气缸上，所述待测气缸的活塞将所述待测气缸分为上腔和下腔，

所述上腔通过穿过所述待测气缸上盖板的管路与所述低温控温单元的一端连接，所述下腔通过穿过所述法兰盖板的管路与所述回收端组件连接，所述低温控温单元的另一端与所述进气端组件连接，

所述法兰盖板和所述待测气缸上盖板上设置有供引线管路通过的孔道，所述压力表、所述液氢液位计的引线从所述引线管路中引出。

在一些实施例中，所述低温控温单元通过拉杆吊装在所述法兰盖板上。

在一些实施例中，所述进气端组件包括高压储氢罐、减压阀、进气端压力表、氢气流量计和高压氢气管路，所述高压储氢罐与所述低温控温单元通过所述高压氢气管路连接，所述减压阀、所述进气端压力表、所述氢气流量计分别设置在所述高压氢气管路上，所述减压阀与所述高压储氢罐连接，所述氢气流量计与所述低温控温单元连接，所述进气端压力表设置在所述减压阀与所述氢气流量计之间。

在一些实施例中，所述回收端组件包括氢气管路、加热器、氢气截止阀、氢气流量计和氢气回收罐，所述氢气回收罐与所述回收端组件通过所述氢气管路连接，所述加热器、所述氢气截止阀、所述氢气流量计分别设置在所述氢气管路上，所述加热器与所述待测气缸的下腔连接，所述氢气流量计与所述氢气回收罐连接，所述氢气截止阀设置在所述加热器和所述氢气流量计之间。

在一些实施例中，所述液氢储罐采用高真空多层绝热方式保冷，在所述液氢储罐内容器外部包扎多层绝热材料，并在内外夹层之间抽真空，真空度要求优于10

在一些实施例中，所述待测气缸与所述待测气缸上盖板通过多组螺栓连接，并在接触面设置有垫片或密封圈，所述待测气缸上盖板通过拉杆吊装在所述法兰盖板上。

在一些实施例中，所述待测气缸上盖板与所述待测气缸的活塞杆连接，且所述待测气缸上盖板开设盲孔对所述活塞杆进行固定限位，所述活塞杆上套有活塞杆密封件，所述活塞杆密封件安装在所述待测气缸上盖板的密封沟槽内。

在一些实施例中，所述设置在待测气缸内的活塞与所述活塞杆之间采用螺纹连接，所述活塞的外圆柱面与所述待测气缸之间设有活塞密封件，所述活塞密封件贴合在所述活塞的外圆柱面上。

在一些实施例中，所述低温控温单元采用光管型或外翅片型绕管式低温换热器，并内置加热控温元件，实现所述待测气缸进口的氢气20K～120K范围内的精确连续控温。

在一些实施例中，所述加热器可采用铝板式汽化器或绕管换热器。

本申请采用上述技术方案具备下述效果：本申请的一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统，可以实现压力在0.1～100MPa，温度在20～120K的氢气通过实际液氢往复泵(活塞泵或柱塞泵)活塞及气缸配合间隙的泄漏量测量，从而有效评估液氢往复泵的容积效率损失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统具体实施例示意图；

图2为本申请实施例提供的一种低温区双活塞及气缸静态密封性能测试系统的具体实施例示意图。

附图说明：

1-低温测试端组件：11-液氢储罐，12-法兰盖板，121-引线管路，122-吊装低温控温单元用拉杆，123-吊装待测气缸用拉杆，13-低温控温单元，141-待测气缸，1412-上腔，1411-下腔，142-待测气缸上盖板，143-活塞杆，144-活塞，145-待测活塞密封件，146-待测活塞杆密封件，15-压力表，16-液氢液位计，17-低温氢气传输管线；

2-进气端组件，21-高压储氢罐，22-减压阀，23-进气端压力表，24-氢气流量计，25-高压氢气管路；

3-回收端组件，30-氢气管路，31-加热器，32-氢气截止阀，33-氢气流量计，34-氢气回收罐；

141-1-第一待测气缸，141-2-第二待测气缸，15-1-第一压力表，15-2-第二压力表，16-液氢液位计，17-1-第一低温氢气传输管线，17-2-第二低温氢气传输管线，18-1-第一氢气截止阀，18-2-第二氢气截止阀，19-1-第一氢气流量计，19-2-第二氢气流量计；

30-1-第一氢气管路，30-2-第二氢气管路，31-1-第一加热器，31-2-第二加热器，32-1-回收端第一氢气截止阀，32-2-回收端第二氢气截止阀，33-1-回收端第一氢气流量计，33-2-回收端第二氢气流量计。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本申请实施例提供一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统，包括低温测试端组件1、进气端组件2、回收端组件3，所述低温测试端组件1一端与进气端组件2连接，另一端与回收端组件3连接。

所述低温测试端组件1包括液氢储罐11、法兰盖板12、待测气缸141、待测气缸上盖板142、低温控温单元13、压力表15、液氢液位计16，所述法兰盖板12固定设置在所述液氢储罐11上方，所述待测气缸141、所述低温控温单元13设置在所述液氢储罐11内，所述待测气缸上盖板142设置在所述待测气缸141上，所述设置在待测气缸141内的活塞143将所述待测气缸141分为上腔1412和下腔1411，所述上腔1412通过穿过所述待测气缸上盖板142的管路与所述低温控温单元13的一端连接，所述下腔1411通过低温氢气传输管线与所述回收端组件3连接，所述低温控温单元13的另一端与所述进气端组件2连接。所述法兰盖板12上开设有测量温度、压力、液位等的引线管路121，压力表15和液氢液位计16相关的引线可从引线管路121中引出。

所述进气端组件2包括高压储氢罐21、减压阀22、进气端压力表23、氢气流量计24和高压氢气管路25，所述高压储氢罐21与所述低温控温单元13通过所述高压氢气管路25连接，所述减压阀22、所述进气端压力表23、所述氢气流量计24分别设置在所述高压氢气管路25上，所述减压阀22与所述高压储氢罐21连接，所述氢气流量计24与所述低温控温单元13连接，所述进气端压力表23设置在所述减压阀22与所述氢气流量24计之间。

所述回收端组件3包括氢气管路30、加热器31、氢气截止阀32、氢气流量计33和氢气回收罐34，所述氢气回收罐34与所述回收端组件3通过所述氢气管路30连接，所述加热器31、所述氢气截止阀32、所述氢气流量计33分别设置在所述氢气管路30上，所述加热器31与所述待测气缸141的下腔1411连接，所述氢气流量计33与所述氢气回收罐34连接，所述氢气截止阀32设置在所述加热器31和所述氢气流量计33之间。

具体的，所述法兰盖板12上开设供高压氢气管路25、氢气管路30通过的孔道，所述低温控温单元13一端管路穿过法兰盖板12与高压氢气管路25连接，另一端管路穿过待测气缸上盖板142连接待测气缸141的上腔1412；待测气缸141的下腔1411通过低温氢气传输管线17与穿过所述法兰盖板12的所述氢气管路30连接。

所述液氢储罐11，可以采用立式、卧式或球形储罐，采用高真空多层绝热方式保冷，在液氢储罐11内容器外部包扎多层绝热材料，并在内外夹层之间抽真空，真空度要求优于10

所述低温控温单元13可采用光管型或外翅片型绕管式低温换热器，并内置加热控温元件，实现待测气缸进口的氢气20K～120K范围内的精确连续控温。

所述待测气缸141与待测气缸上盖板142通过多组螺栓紧密连接，在接触面设置有垫片或O型密封圈保证气密性。待测气缸141部分浸没在液氢中，气缸的直径与液氢往复泵压缩腔实际尺寸保持一致，材料可选用304、316L或316LS不锈钢等。所述待测气缸上盖板142与活塞杆143通过螺纹或销钉连接，开设盲孔对活塞杆143进行固定限位。所述待测活塞杆密封件146套在活塞杆143上，并安装在待测气缸上盖板142上所设的待测活塞杆密封件146密封沟槽内。

所述活塞144与活塞杆143之间采用螺纹紧密连接，活塞144可以是圆柱形或有一定倾斜角的锥形活塞，顶部可采用平头或含有杯状空腔型式。所述活塞144的外圆柱面与待测气缸141之间设有待测活塞密封件145，待测活塞密封件145可采用圆环型、杯型，内置低膨胀合金如镍铁因瓦合金贴合在活塞144的外圆柱面上。所述活塞144将待测气缸141分隔为待测气缸上腔1412和待测气缸下腔1411，所述待测气缸上腔1412通过穿过所述待测气缸上盖板142的管路与所述低温控温单元13连通，容纳经过精确控温的低温氢气，并设有压力表15监测所述待测气缸上腔1412内的氢气压力；所述待测气缸下腔1411容纳从待测气缸141与待测活塞密封件145间隙中泄漏的氢气，并开设有低温氢气传输管线17与氢气管路30相连。

所述高压储氢罐21，可选用35MPa、70MPa或100MPa常温氢气瓶、氢气瓶组、氢气高压罐等，所需压力可根据待测气缸141与活塞144的密封性能测试需求调整。所述减压阀22对高压储氢罐21出口压力进行调整，满足不同压力条件下的活塞与气缸密封性能测试。进气端压力表23为常温氢气压力计。所述氢气流量计24用于测试氢气的流量，可以采用多个并联分段式流量计，满足不同量程精度的氢气流量测量。

进一步地，所述加热器31可采用铝板式汽化器或绕管换热器，将来流的低温氢气复温到常温。

进一步地，所述氢气截止阀31的阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢制成，阀门的密封材料采用石墨处理过的石棉或聚四氟乙烯材料。泄漏的氢气经所述氢气流量计33测量泄漏量后排放至氢气回收罐34中。

本实施例所述装置用于评定变工况下液氢往复泵活塞及气缸静态密封性能，装置在装配前待测气缸141的内表面、待测气缸上盖板142孔内表面、活塞杆143的外表面、活塞144的外表面、各密封件尺寸和表面粗糙度都应是测量好的，并且在所有组成试验装置零部件都符合装配要求的清洁度前提下才能开始装配，并在装配过程中按照相关标准控制好清洁度。

测试系统搭建完成后，首先检查液氢储罐11内部状态，管道应干燥清洁，应采用氮气吹干，外接管口封闭。接着先后采用纯度不低于99.999％的氮气、氢气反复充排，完成测试系统管线内气体置换，实现系统内冗余气体杂质含量符合要求后并使系统保持余压0.15MPa(表压)左右，对液氢储罐11充注液氢预冷并逐步稳定至合适位置。检查液氢液位计16的示数保证待测气缸141部分浸没在液氢中。根据测试压力要求调整减压阀22的开度，根据测试温度需求调节低温控温单元13，待压力表15示数合理且稳定后，打开氢气截止阀32，低温氢气经加热器31复温，通过氢气流量计33测量一段时间内的低温氢气在待测活塞144与待测气缸141间隙处的泄漏量，泄漏的氢气排放到氢气回收罐34中，从而完成一个充气压力和20K～120K低温下待测活塞密封件145与待测气缸141之间氢气泄漏量的测量。改变减压阀22的开度并调节低温控温单元13，待压力表15示数合理且稳定后重复上述过程，即可测量另一充气压力和20K～120K低温下待测活塞144与待测气缸141间隙处的氢气泄漏量。

本申请的低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统，可以实现压力在0.1～100MPa,温度在20～120K的氢气通过实际液氢往复泵(活塞泵或柱塞泵)活塞及气缸配合间隙的泄漏量测量，从而有效评估液氢往复泵的容积效率损失。

实施例2

本实施例为在实施例1的基础上增加了一个测试的活塞及气缸，提供了一种低温区双活塞及气缸静态密封测试系统的具体实施例，本实施例所述装置用于对比变工况下两种不同型式或结构尺寸的活塞及气缸静态密封性能，筛选出静态密封性能优异的活塞结构型式，进一步地，可以探究活塞的结构型式对密封性能影响的机理，并形成基于上述机理的活塞设计方法，以确保液氢往复泵高效运行。

如图2所示，一种低温区活塞及气缸静态密封性能测试系统，包括低温测试端组件1、进气端组件2、回收端组件3，所述低温测试端组件1一端与进气端组件2连接，另一端与回收端组件3连接。所述低温测试端组件1包括液氢储罐11、密封所述液氢储罐11的法兰盖板12、设置在所述液氢储罐11内的第一待测气缸141-1、第二待测气缸141-2和低温控温单元13。

所述低温控温单元13的一端与所述进气端组件2连接，另一端分别与所述第一待测气缸141-1、第二待测气缸141-2连接。

本实施例的所述回收端组件3设置两路氢气管路，第一氢气管路30-1和第二氢气管路30-2，分别用于传输第一待测气缸和第二待测气缸泄漏的氢气。

所述第一待测气缸141-1的上腔与所述低温控温单元13之间通过管路连接，管路上设置第一氢气截止阀18-1和第一氢气流量计19-1，所述第一氢气截止阀18-1设置在所述低温控温单元13和所述第一氢气流量19-1计之间。所述第一待测气缸上盖板上设置有测量压力引线管路，第一压力表15-1的引线从引线管路中引出。所述第一待测气缸141-1的下腔通过第一低温氢气传输管线17-1与穿过所述法兰盖板的第一氢气管路30-1连接。

同理，所述第二待测气缸141-2的上腔与所述低温控温单元13之间通过管路连接，管路上设置第二氢气截止阀18-2和第二氢气流量计19-2，所述第二氢气截止阀18-2设置在所述低温控温单元13和所述第二氢气流量计19-2之间。所述第二待测气缸上盖板上设置有测量压力引线管路，第二压力表15-2的引线从引线管路中引出。所述第二待测气缸141-2的下腔通过第二低温氢气传输管线17-2与穿过所述法兰盖板的第二氢气管路30-2连接。

本实施例的所述进气端组件2的结构和连接关系同实施例1。

本实施例的液氢储罐11内还设置有液氢液位计16，保证第一待测气缸141-1和第一待测气缸141-2部分浸没在液氢中。

基于本实施例，测试系统搭建完成后，检查液氢储罐11内部状态，管道应干燥清洁，应采用氮气吹干，外接管口封闭。接着先后采用纯度不低于99.999％的氮气、氢气反复充排，完成测试系统管线内气体置换，实现系统内冗余气体杂质含量符合要求后并使系统保持余压0.15MPa(表压)左右，对液氢储罐11充注液氢预冷并逐步稳定至合适位置。检查液氢液位计16的示数保证第一待测气缸141-1和第二待测气缸141-2部分浸没在液氢中。根据测试压力要求调整减压阀22的开度，根据测试温度需求调节低温控温单元13，打开第一氢气截止阀18-1和第二氢气截止阀18-2，待第一压力表15-1和第二压力表15-2、第一氢气流量计19-1和第二氢气流量计19-2示数合理且稳定后，打开回收端第一氢气截止阀32-1和回收端第二氢气截止阀32-2，低温氢气经回收端第一加热器31-1和回收端第二加热器31-2复温，通过回收端第一氢气流量计33-1和回收端第二氢气33-2测量一段时间内的低温氢气分别在两个待测活塞与待测气缸间隙处的泄漏量，泄漏的氢气排放到氢气回收罐34中，从而完成一个充气压力和20K～120K低温下两种待测活塞型式的静态密封性能测试。改变减压阀22的开度并调节低温控温单元13，待第一压力表15-1和第二压力表15-2、第一氢气流量计19-1和第二氢气流量计19-2示数合理且稳定后重复上述过程，即可测量另一充气压力和20K～120K低温下两种待测活塞型式的静态密封性能测试。

需要说明的是，本申请的实施例的低温区活塞及气缸静态密封测试系统，其适用范围并不局限于液氢温区，也适用于液氦温区，即，本申请实施例的液氢储罐11可以替换为液氦储罐，液氢工质替换为液氦工质，液氢液位计16替换为液氦液位计，高压储氢罐21可以替换为高压储氦罐，氢气工质替换为氦气工质，可进一步实现4.2K～120K低温下待测活塞与气缸的静态密封性能测试。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。