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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