CN103758581B - 用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，包括转轴，转轴上套装有正常运行密封系统和启停密封系统两部分，正常运行密封系统为在正常运行时利用压力平衡和螺旋泵送原理，采用液体工质、隔离气与高沸点密封液三种介质来封堵透平内的气体工质，而在启动和停机时采用启停密封系统；两种密封系统可自动无缝切换，本发明采用上述方案，在正常运行时采用正常运行密封系统，减少功耗并提高密封的寿命和可靠性；在启动、停机过程和停机后采用启停密封系统，确保工质无泄漏。

Description

用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统

技术领域

本发明涉及一种针对低沸点气体工质的非接触式无泄漏螺旋泵送密封，具体的说涉及一种用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，属于流体机械领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源需求急剧增长。据统计，我国2012年的一次能源消费已达到36.2亿吨标准煤当量，石油的对外依存度已超过56%，急剧膨胀的能源消耗对国家的能源安全、环境控制和可持续发展都构成了巨大的挑战。然而，到目前为止，工业生产中大量的余热，特别是低品质余热得不到充分的利用，直接排入大气，不仅污染环境，而且浪费能源。这些余热也是非常宝贵的财富，对其进行回收利用已势在必行，并且刻不容缓。

已有研究和工程实践表明，有机工质朗肯循环（ORC）是回收低品位余热的最有效途径，它利用有机工质的低沸点、高密度等特点，不仅能高效回收低品位余热，将其热能转化为机械能或电能，而且设备非常紧凑，便于在各种场合使用。然而，由于ORC大多为正压运行，有机工质易泄漏，且价格昂贵、有毒性、对环境有害，部分工质还易燃易爆，必须做到工质无泄漏，也不允许其他气体或者液体进入循环内。因此，如何解决转轴的密封问题成为ORC余热发电技术成败的关键。

近几年，以美国Calnetix公司和Concepts NREC公司为代表的ORC设备制造商采用全封闭系统方案，即将高速电机和高速透平安装在一个密闭容器内，通过无润滑的磁悬浮轴承提供轴系支撑，解决了转轴的密封问题。但由于磁悬浮轴承技术复杂，成本过高，导致该方案的初投资太大，投资回收期需要6~10年以上，并不适合我国的国情；此外，受磁悬浮轴承和高速电机技术的限制，目前全封闭ORC系统的单机功率大多在300kW以下。

以奥玛特公司为代表的ORC设备制造商采用传统的机械密封方案，通过引入一种润滑性能良好的中间封液，既堵塞了气体介质向外部的泄漏，又能在密封面建立液膜，对接触面进行润滑、冷却和冲洗，基本解决了气体工质泄漏问题，其密封系统成本较低，单机发电功率的限制也较小，在地热ORC发电领域获得了一些应用。然而，由于采用接触式密封，其功耗高、寿命短，正常运行寿命一般在一年以内，且在运行时有封油内漏，影响工质纯度。西安交通大学的温枢刚、沈祖达等与航天部11所合作，对用于ORC的机械密封进行了303个小时的性能考核，在较理想工作状态下，封油平均外漏率为3.5ml/h，内漏率为0.52ml/h，密封面磨损率约为0.013mm/100h。在实际运行中，尤其是在高速大功率透平中，由于轴向振动大，最高可超过100μm，机械密封的动、静环在振动中存在相位差，导致动、静分离和高频撞击，大大降低了密封装置的寿命，还会导致严重的泄漏。在一些国际会议上，包括奥玛特公司在内的ORC设备制造商，都认为机械密封并不是ORC轴封的最佳方案。

本公司基于近10年的探索研究，提出一种融合非接触式螺旋泵送密封与启停机械密封的新型混合密封方案。启动、停机过程和停机后采用机械密封技术，确保工质无泄漏，而在正常运行时采用非接触式密封，减少功耗并提高机械密封的寿命和可靠性，是目前有机工质动力循环高速透平轴封的最佳选择。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种防止透平内气体介质的外漏，也阻止其他气体或者液体进入透平的用于有机工质动力循环高速透平的轴封系统。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案。

一种用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，包括转轴，转轴上套装有正常运行密封系统和启停密封系统两部分，正常运行密封系统为在正常运行时利用压力平衡和螺旋泵送原理，采用液体工质、隔离气与高沸点密封液三种介质来封堵透平内的气体工质，而在启动和停机时采用启停密封系统；两种密封系统可自动无缝切换。

以下是本发明对上述方案的进一步优化：

正常运行密封系统包括套装在转轴外部的液体工质螺旋泵送动环和高沸点密封液螺旋泵送动环，所述液体工质螺旋泵送动环的外圆周上和高沸点密封液螺旋泵送动环的外圆周上分别设有螺旋密封槽。

进一步优化：所述液体工质螺旋泵送动环的外侧套装有液体工质螺旋泵送静环；液体工质螺旋泵送静环上设有与螺旋密封槽连通的I腔和II腔，所述I腔和II腔通过管路连通有液体工质压力平衡装置。

进一步优化：高沸点密封液螺旋泵送动环的外侧套装有高沸点密封液螺旋泵送静环，高沸点密封液螺旋泵送动环上设有与螺旋密封槽连通的IV腔和V腔，IV腔和V腔通过管路连通有高沸点密封液压力平衡装置。

进一步优化：启停密封系统包括设置在液体工质螺旋泵送动环和高沸点密封液螺旋泵送动环之间的启停机械密封动环，启停机械密封动环的一侧设有启停机械密封静环，启停机械密封静环的外侧设有浮环，所述浮环与高沸点密封液螺旋泵送静环之间形成与高沸点密封液螺旋泵送动环上的螺旋密封槽连通的III腔，所述III腔与高沸点密封液压力平衡装置连通。

进一步优化：III腔内设有可推动浮环使得启停机械密封静环与启停机械密封动环紧密贴合的弹簧或波纹管。

进一步优化：浮环与液体工质螺旋泵送静环之间具有与II腔连通的间隙。

进一步优化：液体工质压力平衡装置包括液体工质压力平衡箱，所述液体工质压力平衡箱上设有液体工质平衡箱出液口、液体工质平衡箱回液口，所述液体工质平衡箱出液口通过管路与I腔连通；液体工质平衡箱回液口通过液体工质散热器与II腔连通。

进一步优化：高沸点密封液压力平衡装置包括高沸点密封液压力平衡箱，所述高沸点密封液压力平衡箱上设有高沸点密封液平衡箱回液口、高沸点密封液平衡箱出液口和隔离气接口；高沸点密封液平衡箱回液口通过高沸点密封液散热器与IV腔连通；高沸点密封液平衡箱出液口与V腔连通，隔离气接口与III腔连通。

进一步优化：液体工质压力平衡箱与高沸点密封液压力平衡箱之间通过压力自动平衡滑阀连通，压力自动平衡滑阀上设有隔离气释放口和高压隔离气进口。

本发明采用上述方案，在正常运行时采用正常运行密封系统，减少功耗并提高密封的寿命和可靠性；在启动、停机过程和停机后采用启停密封系统，确保工质无泄漏；两种密封方式可自动无缝切换。 

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

附图1本发明实施例中有机工质透平轴封系统示意图；

附图2本发明实施例中螺旋槽的结构示意图；

附图3本发明实施例中压力调节滑阀的结构示意图。

图中：1-液体工质压力平衡箱；2-压力自动平衡滑阀；3-高沸点密封液压力平衡箱；4-液体工质散热器；5-高沸点密封液散热器；6-液体工质液位控制器；7-高沸点密封液位控制器；8-液体工质螺旋泵送静环；9-浮环；10-高沸点密封液螺旋泵送静环；11-液体工质螺旋泵送动环；12-启停机械密封动环；13-启停机械密封静环；14-弹簧或波纹管；15-高沸点密封液螺旋泵送动环；a-液体工质外接口；b-压力控制工质气接口；c-隔离气释放口；d-高压隔离气进口；e-液体工质平衡箱出液口；f-液体工质平衡箱回液口；g-隔离气接口；h-高沸点密封液平衡箱回液口；k-高沸点密封液平衡箱出液口；m-高沸点密封液外接口；V1~V7是控制阀。

具体实施方式

实施例，如图1、图2所示，一种用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，包括转轴，转轴上套装有正常运行密封系统和启停密封系统两部分，正常运行密封系统为在正常运行时利用压力平衡和螺旋泵送原理，采用液体工质、隔离气与高沸点密封液三种介质来封堵透平内的气体工质，而在启动和停机时采用启停密封系统；两种密封系统可自动无缝切换。

正常运行密封系统包括套装在转轴外部的液体工质螺旋泵送动环11和高沸点密封液螺旋泵送动环15，所述液体工质螺旋泵送动环11的外圆周上和高沸点密封液螺旋泵送动环15的外圆周上分别设有螺旋密封槽。

所述液体工质螺旋泵送动环11的外侧套装有液体工质螺旋泵送静环8；液体工质螺旋泵送静环8上设有与螺旋密封槽连通的I腔和II腔，所述I腔和II腔通过管路连通有液体工质压力平衡装置。

高沸点密封液螺旋泵送动环15的外侧套装有高沸点密封液螺旋泵送静环10，高沸点密封液螺旋泵送动环15上设有与螺旋密封槽连通的IV腔和V腔，IV腔和V腔通过管路连通有高沸点密封液压力平衡装置。

启停密封系统包括设置在液体工质螺旋泵送动环11和高沸点密封液螺旋泵送动环15之间的启停机械密封动环12，启停机械密封动环12的一侧设有启停机械密封静环13，启停机械密封静环13的外侧设有浮环9，所述浮环9与高沸点密封液螺旋泵送静环10之间形成与高沸点密封液螺旋泵送动环15上的螺旋密封槽连通的III腔，所述III腔与高沸点密封液压力平衡装置连通。

III腔内设有可推动浮环9使得启停机械密封静环13与启停机械密封动环12紧密贴合的弹簧或波纹管14。

浮环9与液体工质螺旋泵送静环8之间具有与II腔连通的间隙。

液体工质压力平衡装置包括液体工质压力平衡箱1，所述液体工质压力平衡箱1上设有液体工质平衡箱出液口e、液体工质平衡箱回液口f，所述液体工质平衡箱出液口e通过管路与I腔连通；液体工质平衡箱回液口f通过液体工质散热器4与II腔连通。液体工质压力平衡箱1的上方设有压力控制工质气接口b。

液体工质平衡箱出液口e与I腔之间的连通管路上还通过控制阀V1连通有液体工质外接口a。所述液体工质压力平衡箱1上设有液体工质液位控制器6，液体工质液位控制器6与控制阀V1连通。

高沸点密封液压力平衡装置包括高沸点密封液压力平衡箱3，所述高沸点密封液压力平衡箱3上设有高沸点密封液平衡箱回液口h、高沸点密封液平衡箱出液口k和隔离气接口g；高沸点密封液平衡箱回液口h通过高沸点密封液散热器5与IV腔连通；高沸点密封液平衡箱出液口k与V腔连通，隔离气接口g与III腔连通。

高沸点密封液平衡箱出液口k与V腔连通的管路上还通过控制阀V7连通有高沸点密封液外接口m，所述高沸点密封液压力平衡箱3上设有高沸点密封液位控制器7，高沸点密封液位控制器7与控制阀V7连通。

液体工质压力平衡箱1与高沸点密封液压力平衡箱3之间通过压力自动平衡滑阀2连通，如图3所示，压力自动平衡滑阀2上设有隔离气释放口c和高压隔离气进口d。

泵送方向由螺纹旋向决定，而泵送压力和流量由轴的转速、直径以及螺纹头数、动静间隙等因素决定。为便于说明，本发明定义工质侧为内侧，大气侧为外侧，向工质侧方向泵送为内泵送，而向大气侧方向泵送为外泵送，附图2中的箭头表示液体工质、隔离气和密封液的流向。

所述正常运行密封的工作原理是：来自液体工质压力平衡箱1液体工质平衡箱出液口e的低势能液体工质经控制阀V2进入液体工质螺旋泵送静环8的I腔，其压力高于内侧气体工质的压力，阻止气体工质的外漏；而在I腔内侧螺纹的外泵送作用下，液体工质也不会向工质侧泄漏，实现内密封。

在I腔外侧螺纹的外泵送作用下，液体工质从I腔进入II腔并且压力升高，经控制阀V3、散热器4后从液体工质平衡箱回液口f回流到液体工质压力平衡箱1的高势能区，形成一个循环，密封过程产生的热能也被循环的液体工质带走；在II腔外侧螺纹的内泵送作用下，II腔的液体工质也不会外漏。

在隔离气III腔的另一侧，来自高沸点密封液压力平衡箱3的高沸点密封液平衡箱出液口k的低势能密封液经控制阀V6进入高沸点密封液螺旋泵送静环10的V腔，其压力高于外侧的大气压力，阻止空气进入密封系统；而在V腔外侧螺纹的内泵送作用下，密封液也不会外漏，实现外密封。

在V腔内侧螺纹的内泵送作用下，密封液从V腔进入IV腔并且压力升高，经控制阀V5、散热器5后从高沸点密封液平衡箱回液口h回流到密封液压力平衡箱3的高势能区，形成一个循环，密封过程产生的热能也被循环的密封液带走；在IV腔内侧螺纹的外泵送作用下，IV腔的液体工质也不会漏入III腔。

在理想设计工况下，II腔和IV腔的液体都不会进入III腔，但是，若III腔的压力降低如III腔气体外漏或II腔、IV腔液体压力升高如工况变化超过设计值一定范围时，II腔和IV腔的液体将漏人III腔，导致密封失效。

为了确保密封系统的可靠性，本发明将高沸点密封液压力平衡箱3内的隔离气通入III腔，由于势能差和螺旋泵送作用，III腔的压力低于II腔和IV腔，但能随II腔和IV腔的压力同步变化。为了实现这一功能，在液体工质压力平衡箱1和高沸点密封液压力平衡箱3之间安装了一套压力自动平衡滑阀2。

当液体工质压力平衡箱1压力升高时，在压差作用下滑阀右移，高沸点密封液压力平衡箱3与高压隔离气进口d的高压隔离气导通，隔离气经滑阀内孔进入高沸点密封液压力平衡箱3并使高沸点密封液压力平衡箱3的压力升高，与此同时，滑阀左移，当压力与液体工质压力平衡箱1相同时，滑阀回到中间位置。

当液体工质压力平衡箱1的压力降低时，在压差作用下滑阀左移，高沸点密封液压力平衡箱3与隔离气释放口c导通，高沸点密封液压力平衡箱内的部分气体经隔离气释放口c排出，高沸点密封液压力平衡箱3的压力降低，滑阀随之右移，当压力与液体工质压力平衡箱1相同时，滑阀回到中间位置。因此，高沸点密封液压力平衡箱3内的隔离气压力能随时响应并跟随液体工质压力平衡箱1内气体压力的变化。

浮环9与液体工质螺旋泵送静环8的间隙与II腔连通，因此其压力与II腔始终保持一致。透平停机和启动冲转时，控制阀V2~V6处于关闭状态，II腔和III腔的压力基本相同，启停机械密封动环12与启停机械密封静环13靠弹簧或波纹管14的预紧力贴合在一起，可密封透平内工质。

当透平转速升高到螺旋泵送密封的设计阈值一般为额定转速的50%~90%时，控制阀V2~V6同时开启，由于II腔压力大于III腔压力，使启停机械密封动环12与启停机械密封静环13的贴合压力变小，但仍起密封作用。随着转速或负荷的进一步提高，II腔与III腔压差越来越大，将克服弹簧或波纹管14的预紧力并推动浮环9外移，启停机械密封动环12与启停机械密封静环13脱开，实现启停密封与正常运行密封的自动切换。停机过程中两种密封的切换与上述过程正好相反。

Claims (7)

1.一种用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，包括转轴，转轴上套装有正常运行密封系统和启停密封系统两部分，其特征在于：正常运行密封系统为在正常运行时利用压力平衡和螺旋泵送原理，采用液体工质、隔离气与高沸点密封液三种介质来封堵透平内的气体工质，而在启动和停机时采用启停密封系统；两种密封系统可自动无缝切换；

正常运行密封系统包括套装在转轴外部的液体工质螺旋泵送动环（11）和高沸点密封液螺旋泵送动环（15），所述液体工质螺旋泵送动环（11）的外圆周上和高沸点密封液螺旋泵送动环（15）的外圆周上分别设有螺旋密封槽；

所述液体工质螺旋泵送动环（11）的外侧套装有液体工质螺旋泵送静环（8）；液体工质螺旋泵送静环（8）上设有与螺旋密封槽连通的I腔和II腔，所述I腔和II腔通过管路连通有液体工质压力平衡装置；

高沸点密封液螺旋泵送动环（15）的外侧套装有高沸点密封液螺旋泵送静环（10），高沸点密封液螺旋泵送动环（15）上设有与螺旋密封槽连通的IV腔和V腔，IV腔和V腔通过管路连通有高沸点密封液压力平衡装置。

2.根据权利要求1所述的用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，其特征在于：启停密封系统包括设置在液体工质螺旋泵送动环（11）和高沸点密封液螺旋泵送动环（15）之间的启停机械密封动环（12），启停机械密封动环（12）的一侧设有启停机械密封静环（13），启停机械密封静环（13）的外侧设有浮环（9），所述浮环（9）与高沸点密封液螺旋泵送静环（10）之间形成与高沸点密封液螺旋泵送动环（15）上的螺旋密封槽连通的III腔，所述III腔与高沸点密封液压力平衡装置连通。

3.根据权利要求2所述的用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，其特征在于：III腔内设有弹簧或波纹管（14），弹簧或波纹管（14）可推动浮环（9）使得启停机械密封静环（13）与启停机械密封动环（12）紧密贴合。

4.根据权利要求3所述的用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，其特征在于：浮环（9）与液体工质螺旋泵送静环（8）之间具有与II腔连通的间隙。

5.根据权利要求4所述的用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，其特征在于：液体工质压力平衡装置包括液体工质压力平衡箱（1），所述液体工质压力平衡箱（1）上设有液体工质平衡箱出液口（e）、液体工质平衡箱回液口（f），所述液体工质平衡箱出液口（e）通过管路与I腔连通；液体工质平衡箱回液口（f）通过液体工质散热器（4）与II腔连通。

6.根据权利要求5所述的用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，其特征在于：高沸点密封液压力平衡装置包括高沸点密封液压力平衡箱（3），所述高沸点密封液压力平衡箱（3）上设有高沸点密封液平衡箱回液口（h）、高沸点密封液平衡箱出液口（k）和隔离气接口（g）；高沸点密封液平衡箱回液口（h）通过高沸点密封液散热器（5）与IV腔连通；高沸点密封液平衡箱出液口（k）与V腔连通，隔离气接口（g）与III腔连通。

7.根据权利要求6所述的用于有机工质动力循环的高速透平轴封系统，其特征在于：液体工质压力平衡箱（1）与高沸点密封液压力平衡箱（3）之间通过压力自动平衡滑阀（2）连通，压力自动平衡滑阀（2）上设有隔离气释放口（c）和高压隔离气进口（d）。