CN108005733B - 一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于涡轮机技术领域，具体涉及一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机。本发明包括涡轮轴系组件、高温机械密封组件、低温机械密封组件、壳体组件、冷却水套组件；涡轮轴系组件穿过并安装在壳体组件内部，高温机械密封组件位于壳体组件内部并与涡轮轴系组件连接，低温机械密封组件安装在壳体组件内部并与涡轮轴系组件连接，冷却水套组件安装在壳体组件外部。本发明能够在特殊工质作用下，完成流体热能至超高速机械轴功率的转换，用于驱动发电机、压缩机、离心泵及其他旋转机械装置。

Description

一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机
技术领域
本发明属于涡轮机技术领域，具体涉及一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机。
背景技术
现有小型涡轮机结构中进气喷嘴基本都固定不可调整，在特定气源压力工况下输出功率比较单一；且涡轮机结构中机械动密封无外引冷却介质，密封摩擦副温升较快，耐磨损性较差，致使涡轮机很难适用于高温高压工质情况；同时，涡轮机在高温工质及长期工作过程中，轴承运转所产生的热量不易散发而导致轴承工作环境恶化，轴系稳定性及可靠性下降；基于现有背景技术设计研发了适用于高温高压工质的超高速涡轮机。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机，能够在特殊工质作用下，完成流体热能至超高速机械轴功率的转换，用于驱动发电机、压缩机、离心泵及其他旋转机械装置。
本发明采用的技术方案：
一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，包括涡轮轴系组件、高温机械密封组件、低温机械密封组件、壳体组件、冷却水套组件；涡轮轴系组件穿过并安装在壳体组件内部，高温机械密封组件位于壳体组件内部并与涡轮轴系组件连接，低温机械密封组件安装在壳体组件内部并与涡轮轴系组件连接，冷却水套组件安装在壳体组件外部。
所述涡轮轴系组件包括整体式涡轮转子、密封动环、配对滚动轴承，轴衬套、滚动轴承、密封动环、定位套筒、花螺母、O型密封圈、O型密封圈；密封动环套在整体式涡轮转子的轴上，并由转子上台阶对其进行轴向限位，密封动环与轴接触之间设有O型密封圈；配对滚动轴承、轴衬套、滚动轴承、密封动环、定位套筒依次套至涡轮转子上，并相互压紧，密封动环与轴接触之间设有O型密封圈；花螺母与整体式涡轮转子第四段轴通过螺纹连接并压紧定位套筒，通过拧紧花螺母，依次对涡轮转子上各连接件进行轴向压紧使轴系成为一个整体；O型密封圈、O型密封圈对两动环起辅助静密封作用。
所述高温机械密封组件包括高温密封壳体、压缩弹簧、静环组件、导向螺钉，O型密封圈、O型密封圈；6个压缩弹簧沿周向均匀搁置在高温密封壳体的弹簧孔内，静环组件放置在压缩弹簧上，导向螺钉通过螺纹拧紧在高温密封壳体中，并对静环组件形成轴向及圆周向限位；压缩弹簧对静环组件提供轴向弹力。
所述静环组件包括静环座，石墨环，静环座与石墨环通过环氧树脂粘接剂粘接连接；高温密封壳体与静环座之间设有O型密封圈，密封壳体的外壁上设置有O型密封圈，O型密封圈和O型密封圈对各接合面起辅助静密封作用。
所述低温机械密封组件包括密封壳体、导向螺钉、静环组件、压缩弹簧及O型石墨密封圈；6个压缩弹簧周向均匀放置于密封壳体对应的弹簧孔内，静环组件放置于压缩弹簧端面上，导向螺钉通过螺纹拧紧在密封壳体上，并对静环组件形成轴向及周向限位作用。
所述静环组件包括静环座，石墨环，静环座与石墨环通过环氧树脂粘接剂粘接连接；密封壳体与静环座之间设有O型石墨密封圈。
所述静环组件与轴系组件中的密封动环相互贴合形成另一道动密封摩擦副。
壳体组件包括涡轮壳体、进气喷嘴环、涡轮盖、调整挡圈、弹性波浪圈、限流螺钉、O型密封圈、O型密封圈、O型密封圈；
涡轮盖与涡轮壳体通过其上凹槽与凸台定位，并通过螺栓锁紧连接；进气喷嘴上设有喷嘴和定位孔，进气喷嘴通过其上定位销孔与涡轮壳体定位，并通过涡轮盖对其进行压紧，通过调整进气喷嘴环上不同的定位孔与涡轮壳体进行定位，可以实现驱动涡轮不同的进气喷嘴数量的调整；调整挡圈放置于涡轮壳体内，并通过涡轮壳体上的台阶对其进行向左限位，通过高温密封壳体的左端面对其进行压紧；弹性波浪圈搁置于涡轮壳体内。
弹性波浪圈为轴系组件中滚动轴承的左端外圈提供轴向预紧力，限流螺钉通过螺纹拧紧至涡轮壳体上油路通道孔内。
所述壳体组件中，通过进气接头进气，通过进气喷嘴上喷嘴完成气体焓降至动能的转换进而驱动涡轮旋转，通过排气接头完成排气。
通过进油接头可以为涡轮中滚动轴承，滚动轴承及动密封摩擦副提供润滑冷却；通过进气接头也可以为高温机械密封组件提供冷气。
所述冷却水套组件包括排油接头，冷却水套、进排水接头、密封铜垫、O型密封圈、O型密封圈、O型密封圈，排油接头、进排水接头拧紧至冷却水套上，排油接头同时对接涡轮壳体上的排油孔，形成冷却水套与涡轮壳体的定位。
通过排油接头实现涡轮壳体内轴承腔润滑油的排油，通过进排水接头可以对冷却水套完成冷却水供水及排水，冷却水套内表面开有轴向及周向槽道供冷却水流通。
所述轴系组件通过配对滚动轴承、滚动轴承安装于壳体组件中，并通过壳体组件中弹性波浪圈对滚动轴承左端外圈提供向右预紧力，壳体组件中台阶及调整挡圈对配对轴承提供限位作用，高温机械密封组件通过螺钉定位安装于壳体组件中涡轮壳体的右端面，同时机械密封壳体压紧调整挡圈；低温机械密封组件定位安装于壳体组件中涡轮壳体的左端面，冷却水套组件通过冷却水套的内圆表面与涡轮壳体的外圆表面配合，并通过排油接头进行定位；轴系组件中密封动环，密封动环分别与高温机械密封组件中石墨静环，机械密封组件中静环组件形成两道动密封，分别隔离涡轮腔与轴承腔、轴承腔与外界环境。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机，通过对该发明中进气喷嘴进行圆周方向旋转定位，可以直接调整工作中进气喷嘴数量，进而调整涡轮机工作进气量及输出功率，实现一台涡轮机在不更换任何零件的情况下，在较大功率范围内，满足不同功率需求；
(2)本发明提供的一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机，通过对涡轮机壳体及机械密封壳体相关部位开槽及流道，引入外部低温流体工质对机械密封摩擦副部位进行冷却降温，进而改善摩擦副工作环境，提高机械密封在高温高压环境中工作的可靠性；
(3)本发明提供的一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机，通过在涡轮机轴承腔外壳体设置冷却水通道，工作过程中引入冷却水对轴承腔外壳体进行冷却散热，由此降低轴承工作温度，改善轴承工作环境，提高高温环境下涡轮机工作可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机结构示意图；
图2为一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机结构左视图；
图3为涡轮轴系组件结构示意图；
图4为高温机械密封组件结构示意图；
图5为静环组件结构结构示意图；
图6低温机械密封组件结构示意图；
图7静环组件结构示意图；
图8壳体组件垂直剖面结构示意图；
图9壳体组件水平剖面结构示意图；
图10进气喷嘴结构示意图；
图11进气喷嘴剖面结构方案图
图12冷却水套组件垂直剖面结构方案图；
图13冷却水套组件水平剖面结构方案图；
图14润滑油流动通道结构示意图；
图15密封冷却气体供气结构示意图；
图16涡轮机进排气结构示意图；
图17冷却水循环结构示意图；
图中：1-涡轮轴系组件、2-高温机械密封组件、3-低温机械密封组件、4-壳体组件、5-冷却水套组件、6-整体式涡轮转子、7-密封动环、8-配对滚动轴承、9-轴衬套、10-滚动轴承、11-密封动环、12-定位套筒、13-花螺母、14-O型密封圈、15-O型密封圈、16-高温密封壳体、17-压缩弹簧、18-静环组件、19-导向螺钉、20-O型密封圈、21-O型密封圈、22-静环座、23-石墨环、24-密封壳体、25-静环组件、26-O型石墨密封圈、27-静环座、28-石墨环、29-涡轮壳体、30-进气喷嘴环、31-涡轮盖、32-调整挡圈、33-密封铜垫、34-堵头、35-密封铜垫、36-堵头、37-密封铜垫、38-堵头、39-转接头、40-密封铜垫、41-O型密封圈、42-密封铜垫、43-转接头、44-限流螺钉、45-密封铜垫、46-转接头、47-堵头、48-密封铜垫、49-O型密封圈、50-O型密封圈、51-喷嘴、52-定位孔、53-冷却水套、54-排油接头、55-O型密封圈、56-O型密封圈、57-O型密封圈、58-进排水接头、59-密封铜垫、60-弹性波浪圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种适用于高温高压工质的超高速涡轮机，包括涡轮轴系组件1、高温机械密封组件2、低温机械密封组件3、壳体组件4、冷却水套组件5；涡轮轴系组件1穿过并安装在壳体组件4内部，高温机械密封组件2位于壳体组件4内部并与涡轮轴系组件1连接，低温机械密封组件3安装壳体组件4内部并与涡轮轴系组件1连接，冷却水套组件5安装在壳体组件4外部。
如图3所示，涡轮轴系组件1包括整体式涡轮转子6、密封动环7、配对滚动轴承8，轴衬套9、滚动轴承10、密封动环11、定位套筒12、花螺母13、O型密封圈14、O型密封圈15；密封动环7套在整体式涡轮转子6的第四段轴上，并由转子上台阶对其进行轴向限位，密封动环7与轴接触之间设有O型密封圈14；配对滚动轴承8、轴衬套9、滚动轴承10、密封动环11、定位套筒12依次套至涡轮转子6上，并相互压紧，密封动环11与轴接触之间设有O型密封圈15；花螺母13与整体式涡轮转子6第二段轴通过螺纹连接并压紧定位套筒12，通过拧紧花螺母13，依次对涡轮转子6上各连接件进行轴向压紧使轴系成为一个整体；O型密封圈14、O型密封圈15对两动环起辅助静密封作用。
如图4所示，高温机械密封组件2包括高温密封壳体16、压缩弹簧17、静环组件18、导向螺钉19，O型密封圈20、O型密封圈21；6个压缩弹簧17沿周向均匀搁置在高温密封壳体16的弹簧孔内，静环组件18放置在压缩弹簧17上，导向螺钉19通过螺纹拧紧在高温密封壳体16中，并对静环组件18形成轴向及圆周向限位；压缩弹簧17对静环组件18提供轴向弹力；
如图5所示，静环组件18包括静环座22，石墨环23，静环座22与石墨环23通过环氧树脂粘接剂粘接连接；高温密封壳体16与静环座22之间设有O型密封圈20，密封壳体16的外壁上设置有O型密封圈21，O型密封圈20和O型密封圈21对各接合面起辅助静密封作用。
如图6所示，低温机械密封组件3包括密封壳体24、导向螺钉19、静环组件25、压缩弹簧17及O型石墨密封圈26；6个压缩弹簧17周向均匀放置于密封壳体24对应的弹簧孔内，静环组件25放置于压缩弹簧17端面上，导向螺钉19通过螺纹拧紧在密封壳体24上，并对静环组件25形成轴向及周向限位作用，
如图7所示，静环组件25包括静环座27，石墨环28，静环座27与石墨环28通过环氧树脂粘接剂粘接连接；密封壳体24与静环座27之间设有O型石墨密封圈26；
静环组件25与轴系组件1中的密封动环11相互贴合形成另一道动密封摩擦副。
如图8和图9所示，壳体组件4包括涡轮壳体29、进气喷嘴环30、涡轮盖31、调整挡圈32、弹性波浪圈60、限流螺钉44及密封铜垫33、密封铜垫35、密封铜垫37、密封铜垫40、密封铜垫42、密封铜垫45、密封铜垫48，转接头43、转接头39、转接头46，堵头34、堵头36、堵头38、堵头47，O型密封圈41、O型密封圈49、O型密封圈50；
涡轮盖31与涡轮壳体29通过其上凹槽与凸台定位，并通过螺栓锁紧连接；如图10和图11所示，进气喷嘴30上设有喷嘴51和定位孔52，进气喷嘴30通过其上定位销孔52与涡轮壳体29定位，并通过涡轮盖31对其进行压紧，通过调整进气喷嘴环30上不同的定位孔52与涡轮壳体29进行定位，可以实现驱动涡轮不同的进气喷嘴数量；调整挡圈32放置于涡轮壳体29内，并通过涡轮壳体29上的台阶对其进行向左限位，通过高温密封壳体16的左端面对其进行压紧；弹性波浪圈60搁置于涡轮壳体29内，弹性波浪圈60为轴系组件1中滚动轴承10的左端外圈提供轴向预紧力，限流螺钉44通过螺纹拧紧至涡轮壳体29上油路通道孔内；壳体组件4中，通过进气接头43进气，通过进气喷嘴30上喷嘴51完成气体焓降至动能的转换进而驱动涡轮旋转，通过排气接头39完成排气；通过进油接头46可以为涡轮中滚动轴承9，滚动轴承10及动密封摩擦副提供润滑冷却；通过进气接头46也可以为高温机械密封组件2提供冷气；密封铜垫及O型密封圈对各接合面起静密封作用。
如图12和图13所示，冷却水套组件5包括排油接头54，冷却水套53、进排水接头58、密封铜垫59、O型密封圈55、O型密封圈56、O型密封圈57，排油接头54、进排水接头58通过螺纹拧紧至冷却水套53上，排油接头54同时对接涡轮壳体29上的排油孔，形成冷却水套53与涡轮壳体29的定位，通过排油接头54实现涡轮壳体29内轴承腔润滑油的排油，通过进排水接头58可以对冷却水套53完成冷却水供水及排水，冷却水套53内表面开有轴向及周向槽道供冷却水流通，各类密封铜垫及O型密封圈对各接合面起静密封作用。
轴系组件1通过配对滚动轴承8、滚动轴承10安装于壳体组件4中，并通过壳体组件4中弹性波浪圈60对滚动轴承10左端外圈提供向右预紧力，壳体组件中台阶及调整挡圈32对配对轴承8提供限位作用，高温机械密封组件2通过螺钉定位安装于壳体组件4中涡轮壳体29的右端面，同时机械密封壳体16压紧调整挡圈32；低温机械密封组件通过螺钉定位安装于壳体组件4中涡轮壳体29的左端面，冷却水套组件5通过冷却水套53的内圆表面与涡轮壳体29的外圆表面配合，并通过排油接头54进行定位，通过螺钉进行锁紧；轴系组件1中密封动环7，密封动环11分别与高温机械密封组件2中石墨静环18，机械密封组件3中静环组件25形成两道动密封，分别隔离涡轮腔与轴承腔、轴承腔与外界环境；工作过程中润滑油循环油路、冷却气体供气路、驱动涡轮的高压气路及冷却水循环路示意图见图14～图17所示。

Claims (13)

1.一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：包括涡轮轴系组件(1)、高温机械密封组件(2)、低温机械密封组件(3)、壳体组件(4)、冷却水套组件(5)；涡轮轴系组件(1)穿过并安装在壳体组件(4)内部，高温机械密封组件(2)位于壳体组件(4)内部并与涡轮轴系组件(1)连接，低温机械密封组件(3)安装在壳体组件(4)内部并与涡轮轴系组件(1)连接，冷却水套组件(5)安装在壳体组件(4)外部；
所述涡轮轴系组件(1)包括整体式涡轮转子(6)、密封动环一(7)、配对滚动轴承一(8)，轴衬套(9)、滚动轴承二(10)、密封动环二(11)、定位套筒(12)、花螺母(13)、O型密封圈一(14)、O型密封圈二(15)；密封动环一(7)套在整体式涡轮转子(6)的轴上，并由整体式涡轮转子(6)上台阶对其进行轴向限位，密封动环一(7)与轴接触之间设有O型密封圈一(14)；配对滚动轴承一(8)、轴衬套(9)、滚动轴承二(10)、密封动环二(11)、定位套筒(12)依次套至整体式涡轮转子(6)上，并相互压紧，密封动环二(11)与轴接触之间设有O型密封圈二(15)；花螺母(13)与整体式涡轮转子(6)第四段轴通过螺纹连接并压紧定位套筒(12)，通过拧紧花螺母(13)，依次对整体式涡轮转子(6)上各连接件进行轴向压紧使轴系成为一个整体；O型密封圈一(14)、O型密封圈二(15)分别对密封动环一(7)、密封动环二(11)起辅助静密封作用。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述高温机械密封组件(2)包括高温密封壳体(16)、压缩弹簧(17)、静环组件(18)、导向螺钉(19)，O型密封圈三(20)、O型密封圈四(21)；6个压缩弹簧(17)沿周向均匀搁置在高温密封壳体(16)的弹簧孔内，静环组件(18)放置在压缩弹簧(17)上，导向螺钉(19)通过螺纹拧紧在高温密封壳体(16)中，并对静环组件(18)形成轴向及圆周向限位；压缩弹簧(17)对静环组件(18)提供轴向弹力。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述静环组件(18)包括静环座(22)，石墨环(23)，静环座(22)与石墨环(23)通过环氧树脂粘接剂粘接连接；高温密封壳体(16)与静环座(22)之间设有O型密封圈三(20)，高温密封壳体(16)的外壁上设置有O型密封圈四(21)，O型密封圈三(20)和O型密封圈四(21)对各接合面起辅助静密封作用。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述低温机械密封组件(3)包括密封壳体(24)、导向螺钉(19)、静环组件(25)、压缩弹簧(17)及O型石墨密封圈(26)；6个压缩弹簧(17)周向均匀放置于密封壳体(24)对应的弹簧孔内，静环组件(25)放置于压缩弹簧(17)端面上，导向螺钉(19)通过螺纹拧紧在密封壳体(24)上，并对静环组件(25)形成轴向及周向限位作用。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述静环组件(25)包括静环座(27)、石墨环(28)，静环座(27)与石墨环(28)通过环氧树脂粘接剂粘接连接；密封壳体(24)与静环座(27)之间设有O型石墨密封圈(26)。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述静环组件(25)与涡轮轴系组件(1)中的密封动环二(11)相互贴合形成一道动密封摩擦副。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述壳体组件(4)包括涡轮壳体(29)、进气喷嘴环(30)、涡轮盖(31)、调整挡圈(32)、弹性波浪圈(60)、限流螺钉(44)、O型密封圈五(41)、O型密封圈六(49)、O型密封圈七(50)；涡轮盖(31)与涡轮壳体(29)通过其上凹槽与凸台定位，并通过螺栓锁紧连接；进气喷嘴(30)上设有喷嘴(51)和定位孔(52)，进气喷嘴(30)通过其上定位孔(52)与涡轮壳体(29)定位，并通过涡轮盖(31)对其进行压紧，通过调整进气喷嘴环(30)上不同的定位孔(52)与涡轮壳体(29)进行定位，能够对驱动涡轮进气喷嘴的数量进行调整；调整挡圈(32)放置于涡轮壳体(29)内，并通过涡轮壳体(29)上的台阶对其进行向左限位，通过高温密封壳体(16)的左端面对其进行压紧；弹性波浪圈(60)搁置于涡轮壳体(29)内。
8.根据权利要求7所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：弹性波浪圈(60)为涡轮轴系组件(1)中滚动轴承二(10)的左端外圈提供轴向预紧力，限流螺钉(44)通过螺纹拧紧至涡轮壳体(29)上油路通道孔内。
9.根据权利要求7所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述壳体组件(4)中，通过进气接头(43)进气，通过进气喷嘴(30)上喷嘴(51)完成气体焓降至动能的转换进而驱动涡轮旋转，通过排气接头(39)完成排气。
10.根据权利要求6所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：通过进油接头(46)为涡轮中配对滚动轴承一(8)，滚动轴承二(10)及动密封摩擦副提供润滑冷却；通过进气接头(43)为高温机械密封组件(2)提供冷气。
11.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述冷却水套组件(5)包括排油接头(54)，冷却水套(53)、进排水接头(58)、密封铜垫(59)、O型密封圈八(55)、O型密封圈九(56)、O型密封圈十(57)，排油接头(54)、进排水接头(58)拧紧至冷却水套(53)上，排油接头(54)同时对接涡轮壳体(29)上的排油孔，形成冷却水套(53)与涡轮壳体(29)的定位。
12.根据权利要求11所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：通过排油接头(54)实现涡轮壳体(29)内轴承腔润滑油的排油，通过进排水接头(58)可以对冷却水套(53)完成冷却水供水及排水，冷却水套(53)内表面开有轴向及周向槽道供冷却水流通。
13.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压环境的超高速涡轮机，其特征在于：所述涡轮轴系组件(1)通过配对滚动轴承一(8)、滚动轴承二(10)安装于壳体组件(4)中，并通过壳体组件(4)中弹性波浪圈(60)对滚动轴承二(10)左端外圈提供向右预紧力，壳体组件中台阶及调整挡圈(32)对配对滚动轴承一(8)提供限位作用，高温机械密封组件(2)通过螺钉定位安装于壳体组件(4)中涡轮壳体(29)的右端面，同时高温密封壳体(16)压紧调整挡圈(32)；低温机械密封组件定位安装于壳体组件(4)中涡轮壳体(29)的左端面，冷却水套组件(5)通过冷却水套(53)的内圆表面与涡轮壳体(29)的外圆表面配合，并通过排油接头(54)进行定位；涡轮轴系组件(1)中密封动环一(7)、密封动环二(11)分别与高温机械密封组件(2)中静环组件(18)、低温机械密封组件(3)中静环组件(25)形成动密封，两道动密封分别隔离涡轮腔与轴承腔、轴承腔与外界环境。
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