CN108591476B - 一种适用于超临界工质的干气密封装置 - Google Patents

一种适用于超临界工质的干气密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于超临界工质的干气密封装置,由静环‑动环‑静环结构构成两级干气密封。其中,被密封超临界工质沿径向流经第一级干气密封后,沿轴向流经动环与腔壁之间的流道,继而流经第二级干气密封。第一级干气密封采用发散型间隙,两个静环上分别开有冷却通道,腔壁上布置强化换热结构,用来降低密封环端面温度。被密封超临界工质通过两级干气密封作用,泄漏量大大减小,密封性能良好。本发明具有可降低密封环温度,且又能减小泄漏量保证密封性能的显著优势,具有广阔的市场前景。

Description

一种适用于超临界工质的干气密封装置
技术领域
本发明涉及一种适用于超临界工质的干气密封装置,可用于超临界动力循环中旋转机械的密封。
背景技术
电力需求的不断增长,使得发电机组的运行参数不断提高,甚至达到了超临界状态。超临界工质具有良好的物理性质和热稳定性,使得超临界工质动力循环具有很高的效率。与此同时,超临界发电机组的旋转机械设备的密封也成为研究重点。
干气密封作为一种非接触式密封,具有功耗小、泄漏量低、磨损少、寿命长等突出优点,在大型机组的旋转机械设备上应用十分广泛。在干气密封的静环或动环上加工有周期性分布的微米级浅槽,利用动压效应,在动静环端面间形成一定厚度的端面气膜,实现干气密封的非接触稳定运转。
尽管如此,超临界工质参数较高,给密封性能带来了很大的挑战。此外,超临界工质温度较高,使得干气密封的密封环的温度升高,从而导致热变形,增加了密封失效的风险。因此,有必要研究可降低密封环温度又能保证密封性能的干气密封装置,使其适用于超临界工质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于超临界工质的干气密封装置,用于超临界动力循环机组,减小泄漏量,保证良好的密封性能,降低密封环温度,减小热变形,降低密封失效的风险。
本发明采用如下技术方案来实现的:
一种适用于超临界工质的干气密封装置,该干气密封装置由第一静环-动环-第二静环构成两级干气密封;其中,
动环固定安装在转轴上,动环的两侧端面上分别沿周向均匀布置有浅槽,进气侧端面在内径处布置有进气侧端面开槽,出气侧端面在外径处布置有出气侧端面开槽;第一静环和第二静环分别位于动环的两侧,且第一静环上开设有第一静环冷却通道,第二静环上开设有第二静环冷却通道,用于降低密封环端面温度;工作时,第一静环与动环形成了第一级干气密封,第二静环与动环形成了第二级干气密封,被密封超临界工质沿径向流经第一级干气密封后,沿轴向流经动环与腔壁之间的流道,继而流经第二级干气密封,通过两级密封作用,降低系统的泄漏量。
本发明进一步的改进在于,转轴的两端分别通过第一推力轴承和第二推力轴承轴向定位。
本发明进一步的改进在于,动环进气侧端面开槽为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽或仿生学槽。
本发明进一步的改进在于,动环出气侧端面开槽为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽或仿生学槽。
本发明进一步的改进在于,第一静环冷却通道用于通入低温冷却气体,通过与第一静环冷却通道表面的对流换热,降低第一静环端面温度;第二静环冷却通道用于通入低温冷却气体,通过与第二静环冷却通道表面的对流换热,降低第二静环端面温度。
本发明进一步的改进在于,腔壁表面布置有强化换热结构,用于增强与泄漏工质的换热,降低温度。
本发明进一步的改进在于,第一级干气密封沿流动方向采用发散型间隙,降低端面温度。
本发明具有如下有益的技术效果:
本发明提供的一种适用于超临界工质的干气密封装置,主体由静环-动环-静环结构构成的两级密封组成。其中,动环固定安装在转轴上,转轴由轴承和轴承固定轴向位置。动环的两侧端面上分别沿周向均匀布置浅槽,进气侧端面在内径处布置浅槽,出气侧端面在外径处布置浅槽。第一静环和第二静环上分别开有冷却通道,降低密封环端面温度。第一静环与动环形成了第一级干气密封,第二静环与动环形成了第二级密封。被密封超临界工质沿径向流经第一级密封后,沿轴向流经动环与腔壁之间的流道,继而流经第二级密封,通过两级密封作用,使得工作状态下泄漏量降低,密封环端面温度降低,减小了干气密封失效几率。本发明通过第一静环、动环和第二静环,形成了两级干气密封。其中,第一静环和动环构成了第一级干气密封,第二静环和动环构成了第二级干气密封,被密封工质流经两级密封,泄漏量大大降低,节省工质成本,减少对环境的影响。
进一步,动环的进气侧端面内径处沿周向均匀布置浅槽,浅槽可以为螺旋槽、圆弧槽、T型槽、仿生学槽等槽型。被密封工质流经第一级密封时由内径向外径流动,在动环进气侧端面内径处布置浅槽,可以形成明显的动压效应,降低泄漏量。
进一步,动环的出气侧端面外径处沿周向均匀布置浅槽,浅槽可以为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽、仿生学槽等槽型。被密封工质流经第二级密封时由外径向内径流动,在动环出气侧端面外径处布置浅槽,可以形成明显的动压效应,进一步降低泄漏量。
进一步,本发明布置了两个推力轴承用以固定转轴,同时承担轴向推力,使整个装置稳定运行。
进一步,第一静环上开有冷却通道,通入低温冷却气体,通过与第一静环表面的对流换热,降低第一静环端面温度。超临界工质温度很高,流经第一级干气密封时,会使第一静环端面温度升高,且内外径温差较大,导致了明显的热变形,甚至导致密封被破坏。在第一静环上开冷却通道,可以显著降低端面温度,减小密封失效几率。
进一步,第二静环上开有冷却通道,通入低温冷却气体,通过与第二静环表面的对流换热,降低第二静环端面温度;超临界工质流经第二级干气密封时温度较高,会使第二静环端面温度升高,且内外径温差较大,导致了明显的热变形,甚至导致密封被破坏。在第二静环上开冷却通道,可以显著降低端面温度,减小密封失效几率。
进一步,腔壁表面布置强化换热结构,如球窝/球凸结构、肋片及其组合结构,增强腔壁与两级密封之间泄露工质的换热,降低泄露工质的温度。
进一步,第一级密封的温度较高,因此沿流动方向采用发散型间隙,代替常用的平行间隙,以增加进气量,增加平均气膜厚度,使得第一静环温度进一步降低。因发散型间隙而增加的泄漏量由第二级密封来补偿。
进一步,本发明中两级密封的轴向力可相互抵消一部分,减小轴承所承担的轴向推力,降低轴承磨损,延长使用寿命。
综上所述,本发明所述的一种适用于超临界工质的干气密封装置,可显著降低密封环端面温度,并大幅降低泄漏量,适用于超临界工质动力循环中的旋转机械密封。
附图说明
图1为本发明一种适用于超临界工质的干气密封装置的结构示意图。
图2为动环进气侧端面开槽的结构示意图,其中,图2(a)为进气侧端面开螺旋槽示意图,图2(b)为进气侧端面开T型槽示意图,图2(c)为进气侧端面开直线槽示意图。
图3为动环出气侧端面开槽的结构示意图,其中,图3(a)为出气侧端面开螺旋槽示意图,图3(b)为出气侧端面开T型槽示意图,图3(c)为出气侧端面开直线槽示意图。
图4为第一静环的结构示意图,其中,图4(a)为第一静环的三维模型示意图,图4(b)为第一静环的背面示意图,图4(c)为第一静环的剖视图。
图5为第二静环的结构示意图,其中,图5(a)为第二静环的三维模型示意图,图5(b)为第二静环的背面示意图,图5(c)为第二静环的剖视图。
图6为腔壁上布置的强化换热结构示意图,其中,图6(a)为顺排球凸三维结构,图6(b)为顺排球凸平面图,图6(c)为错排球凸三维结构,图6(d)为错排球凸平面图,图6(e)为泪滴状球凸+肋柱三维结构,图6(f)为泪滴状球凸+肋柱平面图,图6(g)为球窝+肋柱三维结构,图6(h)为球窝+肋柱平面图。
图中:1为第一静环,2为动环,3为第二静环,4为动环进气侧端面开槽,5为动环出气侧端面开槽,6为第一静环冷却通道,7为第二静环冷却通道,8为腔壁,9为强化换热结构,10为转轴,11为第一推力轴承,12为第二推力轴承。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下内容。在不脱离本发明上述思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包括在本发明的范围内。
参见图1,本发明一种适用于超临界工质的干气密封装置,包括第一静环1、动环2、第二静环3、动环进气侧端面开槽4、动环出气侧端面开槽5、第一静环冷却通道6、第二静环冷却通道7、腔壁8、强化换热结构9、转轴10、第一推力轴承11、第二推力轴承12。其中,动环2固定安装在转轴10上,转轴10由轴承11和轴承12固定轴向位置。动环2的进气侧端面在内径处沿周向均匀布置浅槽4,出气侧端面在外径处沿周向均匀布置浅槽5。静环1上开有冷却通道6,静环3上开有冷却通道7,腔壁8上布置强化换热结构9。静环1与动环2形成了第一级干气密封,静环3与动环2形成了第二级密封。第一级干气密封沿流动方向采用发散型间隙,即沿流动方向密封端面之间的气膜厚度逐渐增大。被密封工质沿径向流经第一级干气密封后,沿轴向流经动环2与腔壁8之间的流道,继而流经第二级干气密封,通过两级密封作用,降低系统的泄漏量。
参见图2,本发明中动环进气侧端面开槽4横截面示意图。槽可以为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽、仿生学槽等槽型。图2(a)为进气侧端面开螺旋槽示意图,图2(b)为进气侧端面开T型槽示意图,图2(c)为进气侧端面开直线槽示意图。
参见图3,本发明中动环出气侧端面开槽5横截面示意图。槽可以为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽、仿生学槽等槽型。图3(a)为出气侧端面开螺旋槽示意图,图3(b)为出气侧端面开T型槽示意图,图3(c)为出气侧端面开直线槽示意图。
参见图4,本发明中第一静环1的示意图。图4(a)为第一静环1的三维模型示意图,图4(b)为第一静环1的背面示意图,图4(c)为第一静环1的剖视图。第一静环冷却通道6外径处为入口,内径处为出口,这是因为第一静环1端面温度分布呈现从内径到外径逐渐升高的趋势,因此设置高温处为入口,增强换热。
参见图5,本发明中第二静环3的示意图。图5(a)为第二静环3的三维模型示意图,图5(b)为第二静环3的背面示意图,图5(c)为第二静环3的剖视图。第二静环冷却通道7内径处为入口,外径处为出口,这是因为第二静环3端面温度分布呈现从外径到内径逐渐升高的趋势,因此设置高温处为入口,增强换热。
参见图6,本发明中腔壁8上布置的强化换热结构9的示意图。强化换热结构是布置在换热面上用来改变流动状态、增大换热面积、增强换热效果的结构,可以选择球窝/球凸结构、肋片、肋柱或其组合结构,排列方式可以为顺排或错排,球窝/球凸结构可以为球型、椭圆型或泪滴状等。图6(a)为顺排球凸三维结构,图6(b)为顺排球凸平面图,图6(c)为错排球凸三维结构,图6(d)为错排球凸平面图,图6(e)为泪滴状球凸+肋柱三维结构,图6(f)为泪滴状球凸+肋柱平面图,图6(g)为球窝+肋柱三维结构,图6(h)为球窝+肋柱平面图。

Claims (4)

1.一种适用于超临界工质的干气密封装置,其特征在于,该干气密封装置由第一静环-动环-第二静环构成两级干气密封;其中,
动环(2)固定安装在转轴(10)上,动环(2)的两侧端面上分别沿周向均匀布置有浅槽,进气侧端面在内径处布置有进气侧端面开槽(4),出气侧端面在外径处布置有出气侧端面开槽(5);第一静环(1)和第二静环(3)分别位于动环(2)的两侧,且第一静环(1)上开设有第一静环冷却通道(6),第二静环(3)上开设有第二静环冷却通道(7),用于降低密封环端面温度,具体来说,第一静环冷却通道(6)用于通入低温冷却气体,通过与第一静环冷却通道表面的对流换热,降低第一静环(1)端面温度;第二静环冷却通道(7)用于通入低温冷却气体,通过与第二静环冷却通道(7)表面的对流换热,降低第二静环(3)端面温度;此外,腔壁(8)表面布置有强化换热结构(9),用于增强与泄漏工质的换热,降低温度;
工作时,第一静环(1)与动环(2)形成了第一级干气密封,沿流动方向采用发散型间隙,第二静环(3)与动环(2)形成了第二级干气密封,被密封超临界工质沿径向流经第一级干气密封后,沿轴向流经动环(2)与腔壁(8)之间的流道,继而流经第二级干气密封,通过两级密封作用,降低系统的泄漏量。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超临界工质的干气密封装置,其特征在于,转轴(10)的两端分别通过第一推力轴承(11)和第二推力轴承(12)轴向定位。
3.根据权利要求1所述的一种适用于超临界工质的干气密封装置,其特征在于,动环进气侧端面开槽(4)为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽或仿生学槽。
4.根据权利要求1所述的一种适用于超临界工质的干气密封装置,其特征在于,动环出气侧端面开槽(5)为螺旋槽、直线槽、圆弧槽、T型槽或仿生学槽。
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