CN111502774A - 一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，所述干气密封装置包括密封动环、密封静环、弹簧座、水冷组件和透平气缸，其中，密封动环和密封静环组成干气密封主体且密封动环与密封静环之间的间隙能够形成刚性气膜；密封静环与弹簧座之间通过第一密封圈密封，弹簧座与透平气缸之间通过弹簧连接且通过第二密封圈密封；水冷组件与透平气缸连接并对第二密封圈附近透平气缸区域进行局部冷却，确保该区域透平气缸温度低于第二密封圈材质耐受温度。本发明提出采用微通道水冷组件对密封圈附近的透平气缸进行局部冷却，解决透平气缸导热使密封圈周围环境温度超过密封圈材料耐受温度导致的密封圈失效问题。

Description

一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置
技术领域
本发明涉及先进涡轮设备的技术领域，更具体地讲，涉及一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置。
背景技术
超临界二氧化碳发电系统是一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统，其循环过程是：首先，超临界二氧化碳经过压缩机升压；然后，利用换热器将工质等压加热；其次，工质进入涡轮机推动涡轮做功，涡轮带动电机发电；最后，工质进入冷却器恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环。其中，当二氧化碳的温度达到31.10C，压力达到7.38MPa时将变为超临界状态，其气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩等特点。
透平是超临界二氧化碳动力系统的核心设备，运行温度通常在400℃以上。目前国内外研究成果表明干气密封是大功率超临界二氧化碳透平的轴端密封优选方案。现有干气密封主要针对中低温使用环境，其密封圈主要采用橡胶材质，橡胶密封圈难以承受透平气缸导热形成的高温环境，现多在透平气缸设置冷却腔，为防止透平气缸局部冷却不均匀导致热应力过大，冷却腔通常较大，所需的冷却气体流量大，显著影响了透平的总体效能，因此研发高效可靠的耐高温透平轴端密封结构是超临界二氧化碳透平研发的关键。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可实现高温条件下超临界二氧化碳透平轴端密封的干气密封装置。
本发明提供了一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，所述干气密封装置包括密封动环、密封静环、弹簧座和水冷组件，其中，
密封动环和密封静环组成干气密封主体且密封动环与密封静环之间的间隙能够形成刚性气膜，密封动环安装在透平转子上，密封静环、弹簧座和水冷组件均安装在透平气缸上，弹簧座允许沿透平转子轴向方向滑动；
密封静环与弹簧座之间通过第一密封圈密封，弹簧座与透平气缸之间通过弹簧连接且通过第二密封圈密封；
水冷组件与透平气缸连接并对第二密封圈附近的透平气缸区域进行局部冷却，确保该区域透平气缸温度低于第二密封圈的材质耐受温度。
根据本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述第二密封圈附近的透平气缸区域设置有透平气缸温度传感器，所述温度传感器对密封圈附近的透平气缸温度进行实时监测并且所得温度测量值作为水冷组件冷却水流量的自动调节依据之一。
根据本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述水冷组件包括顺次连接的冷却水进口管线、冷却水分流结构、若干个环状微小通道、冷却水集流结构和冷却水出口管线，所述环状微小通道是设置在水冷组件中的环形流道。
根据本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述冷却水进口管线通过冷却水输入管与冷却水供给单元相连，所述冷却水进口管线上设置有电动调节阀和流量计；冷却水出口管线通过冷却水输出管与冷却水回收单元相连，所述冷却水出口管线上设置有冷却水温度传感器。
根据本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述第一密封圈和第二密封圈均为橡胶材质。
根据本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述环状微小通道为横截面为半圆形的环形流道，环状微小通道的直径为1～2mm。
根据本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的一个实施例，所述干气密封装置设置在透平气缸的端部，所述干气密封装置与上游高压密封隔离气相连通。
与常规方案相比，本发明水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置提出采用微通道水冷组件对密封圈附近的透平气缸进行局部冷却，解决因透平气缸导热导致密封圈周围环境温度超过密封圈材料耐受温度导致的密封圈失效问题，通过微小通道水冷实现密封圈附件透平气缸缸体的均匀冷却，有效避免了透平气缸缸体局部热应力过大，同时通过密封圈附近的透平气缸温度和冷却水出口温度实时监测，自动调节冷却水流量，最终实现高温条件下超临界二氧化碳透平轴端的安全紧凑高效密封。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置中水冷组件的结构示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施例水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置中水冷组件的A-A面剖视结构示意图。
附图标记说明：
1-密封动环、2-密封静环、3-第一密封圈、4-弹簧座、5-第二密封圈、6-透平气缸、7-水冷组件、8-透平转子、9-透平气缸温度传感器、10-环状微小流道、11-螺栓孔、12-冷却水分流结构、13-冷却水集流结构、14-水冷组件壳体、15-电动调节阀、16-流量计、17-冷却水温度传感器、18-冷却水进口管线、19-冷却水出口管线。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
图1示出了根据本发明示例性实施例水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置的结构示意图。
如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置包括密封动环1、密封静环2、弹簧座4、水冷组件7。本发明的干气密封装置设置密封动环1安装在透平转子8上，密封静环2、弹簧座4和水冷组件7均安装在透平气缸6上，弹簧座4允许沿透平转子轴向方向滑动，干气密封装置与上游高压密封隔离气相连通。其中，密封动环1和密封静环2组成干气密封主体且密封动环1与密封静环2之间的间隙能够形成刚性气膜。
当端面外侧开设有流体动压槽的密封动环1旋转时，流体动压槽把外径侧(称之为上游侧)的高压隔离气体泵入密封端面之间，在密封动环1与密封静环2之间形成很薄的一层气膜从而使密封工作在非接触状态下，所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。
密封静环2与弹簧座4之间通过第一密封圈3密封，弹簧座4与透平气缸6之间通过弹簧连接且通过第二密封圈5密封。其中，透平气缸6中设置对第二密封圈5附近区域进行局部冷却的水冷组件7，水冷组件7优选地利用螺栓通过螺栓孔11与透平气缸6连接。
为了保证密封效果，第一密封圈3和第二密封圈5均为橡胶材质。由于第二密封圈周围是气缸导热产生的高温环境，橡胶材料通常难以承受较高温度，降低第二密封圈5周围环境温度是实现高温透平轴端干气密封的关键。为此，本发明设立了水冷组件7，以对第二密封圈5附近的透平气缸进行局部冷却，使得第二密封圈5周围环境温度降低至密封圈材料耐受温度以下。优选地，第二密封圈附近的透平气缸区域设置有透平气缸温度传感器，该温度传感器对密封圈附近的透平气缸温度进行实时监测，该温度测量值作为水冷组件冷却水流量的自动调节依据之一。
当透平气缸温度传感器9温度高于预定值1(如200℃)时，水冷组件7中的电动调节阀15自动增大阀门开度，增加冷却水流量，其余工况电动调节阀15根据冷却水温度传感器7测量结果动作，最终实现高温条件下超临界二氧化碳透平轴端的安全紧凑高效密封。
图2示出了根据本发明示例性实施例水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置中水冷组件的结构示意图。
如图2所示，本发明的水冷组件7包括顺次连接的冷却水进口管线18、冷却水分流结构12、若干个环状微小通道10、冷却水集流结构13和冷却水出口管线19，环状微小通道10是设置在水冷组件中的环形流道。冷却水进口管线18通过冷却水输入管与冷却水供给单元相连，冷却水进口管线18上设置有电动调节阀15和流量计16；冷却水出口管线19通过冷却水输出管与冷却水回收单元相连，冷却水出口管线19上设置有冷却水温度传感器17。
其中，电动调节阀15用于冷却水流量实时调节，流量计16则对进入水冷组件7的冷却水进入量进行实时检测，冷却水温度传感器17用于对冷却水出口温度进行实时监测，当冷却水温度传感器17测量值超过预定值2(如50℃)时，电动调节阀15自动增大阀门开度，增加冷却水流量，当冷却水温度传感器17测量值低于预定值3(如30℃)时，电动调节阀15自动减小阀门开度，减小冷却水流量，其余工况电动调节阀15保持当前阀门开度。
此外，透平气缸中的水冷组件7的环状微小通道数量、环状微小通道直径、冷却水流量可以根据透平气缸的体积、冷却要求进行具体调整。
优选地，环状微小通道10为横截面为半圆形的环形流道，环状微小通道的直径为1～2mm。
下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明包括密封动环1、密封静环2、第一密封圈3、弹簧座4、第二密封圈5、水冷组件7。其中密封动环1和密封静环2组成干气密封主体，两者之间的间隙形成刚性气膜，实现密封动静环间密封。第一密封圈3为橡胶材质，实现密封静环2和弹簧座4之间的密封；第二密封圈5为橡胶材质，实现透平气缸6和弹簧座4之间的密封。第二密封圈5周围是缸体导热产生的高温环境，设立水冷组件对第二密封圈5附近的透平气缸进行局部冷却，通过透平气缸温度传感器的数据，由电动调节阀15实时调节冷却水量和冷却效果，使得第二密封圈5的周围环境温度降低至密封圈材料耐受温度以下，实现高温条件下超临界二氧化碳透平的轴端密封。
如图2所示，水冷组件包括冷却水进口管线18、冷却水分流结构12、环状微小通道10、冷却水集流结构13和冷却水出口管线19，其中冷却水进口管线18上设置有电动调节阀15和流量计16，冷却水出口管线19上设置有冷却水温度传感器17。电动调节阀15、流量计16、冷却水温度传感器17分别用于调节冷却水流量、测量冷却水流量和测量冷却水出口温度；环状微小通道10是透平气缸的缸体6上加工的环形微小通道流道，是冷却水的流动通道；冷却水从冷却水进口管线18依次流经流量计16、电动调节阀15、冷却水分流结构12后进入环状微小通道10，冷却第二密封圈5周围环境后流经冷却水集流结构13流出透平气缸6进入冷却水出口管线，通过冷却水温度传感器17的数据由电动调节阀15实时调节冷却水量和冷却效果。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述干气密封装置包括密封动环、密封静环、弹簧座和水冷组件，其中，
密封动环和密封静环组成干气密封主体且密封动环与密封静环之间的间隙能够形成刚性气膜，密封动环安装在透平转子上，密封静环、弹簧座和水冷组件均安装在透平气缸上，弹簧座允许沿透平转子轴向方向滑动；
密封静环与弹簧座之间通过第一密封圈密封，弹簧座与透平气缸之间通过弹簧连接且通过第二密封圈密封；
水冷组件与透平气缸连接并对第二密封圈附近的透平气缸区域进行局部冷却，确保该区域透平气缸温度低于第二密封圈的材质耐受温度。
2.根据权利要求1所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述第二密封圈附近的透平气缸区域设置有透平气缸温度传感器，所述温度传感器对密封圈附近的透平气缸温度进行实时监测并且所得温度测量值作为水冷组件冷却水流量的自动调节依据之一。
3.根据权利要求1所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述水冷组件包括顺次连接的冷却水进口管线、冷却水分流结构、若干个环状微小通道、冷却水集流结构和冷却水出口管线，所述环状微小通道是设置在水冷组件中的环形流道。
4.根据权利要求1所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述冷却水进口管线通过冷却水输入管与冷却水供给单元相连，所述冷却水进口管线上设置有电动调节阀和流量计；冷却水出口管线通过冷却水输出管与冷却水回收单元相连，所述冷却水出口管线上设置有冷却水温度传感器。
5.根据权利要求3所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述冷却水分流结构的一端与冷却水进口管线连通且另一端与每个环状微小通道连通，以将冷却水分流至每个环状微小通道；冷却水集流结构的一端与冷却水出口管线连通且另一端与每个环状微小通道连通，将冷却水收集至冷却水出口管线。
6.根据权利要求1所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述第一密封圈和第二密封圈均为橡胶材质。
7.根据权利要求3所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述环状微小通道为横截面为半圆形的环形流道，环状微小通道的直径为1～2mm。
8.根据权利要求1所述的水冷式超临界二氧化碳透平干气密封装置，其特征在于，所述干气密封装置设置在透平气缸的端部，所述干气密封装置与上游高压密封隔离气相连通。
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