CN111630251A

CN111630251A - 设有流体密封装置的涡轮机

Info

Publication number: CN111630251A
Application number: CN201980009418.XA
Authority: CN
Inventors: 马里奥·盖亚; 罗伯特·比尼人; 安德里亚·蒙特里西
Original assignee: Section 4 Jsc
Current assignee: Section 4 Jsc
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: JP2021510796A; CA3088775A1; EP3743601A1; CN111630251B; US20200408103A1; US11976560B2; IT201800002027A1; JP7308840B2; WO2019145809A1; EP3743601B1

Abstract

本发明描述了一种设有流体密封装置的旋转式涡轮机，所述涡轮机包括波纹管活塞，所述波纹管活塞能延伸/能扩张以使密封表面抵靠转子盘或抵靠轴的头部，因而将工作流体限制在相应维护操作期间停止的涡轮机中。在机器正常运行期间冷却剂被供给到波纹管活塞内部。

Description

设有流体密封装置的涡轮机

说明书

发明领域

本发明涉及一种涡轮机，所述涡轮机设置有流体密封装置，即用于具有在工作流体存在的情况下相对于定子部的旋转部的机器的密封装置，本发明尤其涉及一种密封装置，所述密封装置旨在当涡轮机因损坏或维护而停止时将工作流体限制在所述涡轮机中。

技术背景

在用于产生闭合循环功率的系统的领域中，特别是在有机朗肯循环(ORC)的领域中，机械密封件的作用在设计以及维护操作的计划和管理方面都是至关重要的方面。机械密封件引起的泄漏，无论是生理性质的泄漏还是与断裂有关的泄漏，对这些类型的系统的影响都比对其他系统的影响大，这主要是由于以下因素：

-机械密封件作用的工作流体具有很高的经济价值；

-在难以对操作员的存在或对符合欧洲ATEX标准或同等标准的装备的使用进行限制的区域中，可能会产生毒性或形成爆炸性环境并伴有泄漏/渗漏。

在过去，提出了旋转密封装置，对其进行研究以允许在涡轮机的操作期间有效地限制工作流体。然而，尤其是在高温存在的情况下，旋转密封件可能会失去作用，并引起大量的工作液泄漏或空气和润滑液进入机器，这必须通过停止机器并更换旋转密封件来解决。当旋转密封件损坏时，尤其是在更换旋转密封件时，旋转密封件失去了其限制工作流体的能力，因此，如果不采取特殊预防措施，则机器的内部环境会与外部环境连通。

现有技术的一些解决方案使得可以至少部分地解决当涡轮机停止时工作流体的泄漏或污染问题。

例如，在GB 964 946中描述了一种应用于涡轮机的密封和破坏装置。该装置用于在涡轮机停止时防止工作流体通过。特别地，该装置包括金属波纹管，该金属波纹管将定子部和在涡轮机的柱形部上滑动的活塞连接在一起。当涡轮机停止时，活塞由辅助流体操作，使得活塞与转子盘接触。

在FR 2563583中描述了一种用于离心泵的密封装置，该密封装置包括套筒，该套筒可以通过电磁体沿泵的轴轴向平移。套筒的端侧具有密封垫片，该密封垫片抵靠定子或转子部件。

DE 3440635描述了一种用于相对于壳体密封水力涡轮机的转子的结构，并提供了一种布置在涡轮机的转子部与定子部之间的密封环。

EP 2591211描述了一种用于旋转式机器的流体密封装置，其中，转子部包括至少一个盘，该至少一个盘由轴承支撑的旋转轴支承，并且设有至少一个限定处于第一压力下的第一环境A的密封系统。定子部在转子部的盘的前面具有壁，使得转子部和定子部彼此之间界定第二环境B，该第二环境包含处于第二压力的流体，第二压力高于或低于环境A中的第一压力。第一环境A和第二环境B被旋转轴上的密封系统分开。与旋转轴同心的可移动环形件30被布置在定子部的壁与转子部的盘之间，并且设有面向转子部的盘的一部分的至少一个环形密封垫片。在机器停止时以及在实施维护操作之前，可以根据命令使环形件在向后非活动位置与向前活动位置之间轴向移动，在向后非活动位置，密封垫片远离转子部的盘，在向前活动位置，密封垫片倚靠在转子部的盘上。实际上，当旋转式机器停止时，可移动环形件移动到活动位置，以防止流体从环境A、B中的一个环境流到另一个环境。可移动环形件被容纳和导向在位于转子部的盘的前面的、在定子部的壁中形成的环形凹部中。可移动环形件从向后非活动位置移动到向前活动位置是由加压流体引起的。通过被定位在可移动环形件与对位止回环形件(countercheck ring，阻挡环形件)之间的推力弹簧实现了沿相反方向朝着向后非活动位置的移动，该对位止回环形件被约束在定子部的所述壁上。

已经证明，EP 2591211中描述的解决方案可以在涡轮机停止时有效地限制工作流体，尤其是在以有机朗肯循环ORC运行的涡轮机和具有有机流体离心压缩机的冷却器中。通常，EP 2591211中描述的解决方案可用于以ORC循环和其他循环运行的涡轮机。

然而，申请人已经发现，EP 2591211中描述的垫片(尤其是那些通过相对于定子部进行密封而允许环形件30轴向移动的垫片)往往会很快磨损，尤其是在这样的应用中：其中，穿过涡轮机的工作流体被加热到相对于有机朗肯循环ORC系统的典型温度(通常低于300℃)来说明显更高的温度(即，350-400℃)。可以确定的原因在于这样的事实：可移动环形件和垫片也会升温直至达到接近工作流体温度的高温。特别地，垫片的磨损在失去弹性的情况下发生，这损害了密封系统的有效性。

还应注意，在ORC循环中，对垫片的选择不仅取决于附近的温度，还取决于垫片材料与有机流体之间的化学相容性。

GB-A-2054067描述了一种根据权利要求1的前序部分所述的解决方案。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种涡轮机密封装置，与已知解决方案相比，所述涡轮机密封装置在涡轮机停止并处于工作流体达到高于300℃温度的环境中时限制工作流体这一方面具有更高的性能。

特别地，本发明的目的是提供一种设有密封装置的涡轮机，其特征在于具有较高的可靠性(使用寿命)和有效性。

因此，本发明涉及一种根据权利要求1所述的设有流体密封装置的涡轮机。

特别地，所考虑的旋转式机器具有转子部，所述转子部在工作流体存在的情况下相对于定子部旋转。

所述转子部包括由旋转轴支承的至少一个转子盘，所述旋转轴又由轴承支撑；所述轴优选地设有至少一个密封件，例如机械的密封件，以将所述工作流体与外部环境隔离。

第一环境或外部环境包括所述工作流体必须与其隔离的存在于本发明的密封装置对象与外部环境之间的任何腔室、空隙、空间或环境。第二环境或内部环境被限定为所述机器的存在工作流体的内部空间，其压力高于或低于所述第一环境中存在的压力，这取决于所设计的循环的特性。

可以在所述机器停止时运行的所述密封装置包括：

-环形元件，所述环形元件与所述旋转轴同心，所述环形元件设有至少一个环形密封面，和

-所述环形元件的座部，所述座部在所述定子部中形成或与所述定子部集成一体地紧固。

所述环形元件是波纹管活塞，所述波纹管活塞能延伸或能扩张以使所述环形密封表面从向后非活动位置移动到向前活动位置，在所述向后非活动位置，所述环形密封表面不与所述机器的所述转子部相互作用，在所述向前活动位置，所述环形密封表面抵靠所述机器的转子部，例如转子盘或所述轴本身，并且防止所述机器停止时所述工作流体从所述内部环境流到所述外部环境或反之空气进入所述内部环境。当所述机器运行时，即当所述转子部旋转时，所述波纹管活塞能缩回以将所述环形密封表面带回到所述向后位置。

有利地，在所述机器正常运行期间，即当所述转子部响应于由所述工作流体施加或施加在所述工作流体上的作用而相对于所述定子部旋转时，在所述波纹管活塞内供给冷却剂。所述冷却剂可以是所述涡轮机的所述工作流体，也可以是其他流体。

优选地，所述波纹管活塞包括至少一个冷却剂供给导管和至少一个相应的排放导管，两者均被配置成实现所述冷却剂在所述波纹管活塞的内部容积中的循环。

与现有的可用解决方案相比，在其他条件相同的情况下，得益于没有较关键的O形环和涡轮机的机械密封件并且得益于下文将描述的冷却动作，本解决方案可以达到密封单元本身更长的使用寿命。同时，本解决方案允许最小化维护操作的持续时间并简化这些干预。实际上，装置的启用不需要拆卸机器零件，而仅需要对波纹管活塞加压。

通常，相对于传统解决方案，在其他条件相同的情况下，根据本发明的密封装置允许最小化由机械密封件的破损引起的机器停止的次数，并且允许更快地进行干预。

实际上，本解决方案的巨大优点在于，如下所述，可以更有效地冷却波纹管活塞，从而增加机械密封件的使用寿命。

优选地，所述波纹管活塞的所述座部是环形座部，所述环形座部与所述旋转轴同心，例如以位于所述轴上的所述机械密封件的外部的方式与所述旋转轴同心。所述座部在所述机器的所述定子部与面向所述转子盘的点之间沿轴向方向即平行于所述旋转轴的所述旋转轴线延伸。当操作时，所述波纹管活塞由于由供给所述波纹管活塞的加压流体引起的膨胀/扩张而在所述座部中轴向滑动。对于该技术特征，除了向波纹管活塞供给冷却剂的事实之外，即独立于权利要求1的特征部分，申请人保留提出分案专利申请的权利。

在优选的实施方案中，所述波纹管活塞包括两个柱形波纹管元件，所述两个柱形波纹管元件具有不同的直径并且同心地布置，在第一边缘处与第一环形件接合并且在相反边缘处与第二环形件接合。优选地，刚刚描述的元件由金属制成并通过焊接接合。在所述两个柱形波纹管元件与所述两个环形件之间限定了内部可增压容积；通过对所述内部容积加压，即通过向该内部容积供给加压流体例如压缩的空气或油，来实现对所述波纹管活塞的启用。为此目的，加压流体的供给导管延伸穿过所述第一环形件。同样对于该技术特征，除了向波纹管活塞供给冷却剂的事实之外，申请人保留提出分案专利申请的权利。

第一环形件插入所述波纹管活塞的座部中并面向所述机器的所述定子部；所述第二环形件支承所述密封表面并面向所述机器的所述转子部的部件，例如转子盘或所述轴的头部。当所述波纹管活塞被操作时，最初存在于所述波纹管活塞的所述密封表面与所述机器的所述转子部之间的空隙被消除。

密封单元的操作很简单：可以通过将内部容积加压到高于第二环境中存在的压力并足以引起波纹管沿轴向方向弹性变形的压力来操作波纹管活塞，并且可以通过在内部容积中恢复到低于使波纹管的密封表面与转子部接触所需的最小压力的压力来停用波纹管活塞。

在密封单元的替代实施方案中，所述两个柱形波纹管元件中的至少一个柱形波纹管元件包括一个或多个径向隔片，所述径向隔片将所述波纹管活塞的所述内部容积分成两个或更多个连通室。所述连通室在所述第一环形件与所述第二环形件之间相继布置。靠近所述第二环形件的室可以被供给冷却剂，所述冷却剂通过超越打断各室的所述径向隔片而到达其他室。冷却剂从波纹管活塞带走热量，从而将本发明的系统目的的密封表面和布置在波纹管活塞与轴之间的机械密封件两者都保持在受控的温度下。

优选地，所述波纹管活塞具有入口和套管，所述入口用于在所述第一环形件中获得的所述冷却剂，所述套管从所述入口延伸到所述第二环形件附近的室，并且所述波纹管活塞在与所述入口沿直径相反的位置包括出口，所述出口用于在所述第一环形件中获得的所述冷却剂。该配置为冷却剂限定了强制性的路径，从而防止冷却剂停滞并确保冷却剂到达波纹管活塞的所有内表面。

本发明的第二方面涉及一种在停止的涡轮机中限制工作流体的方法。

申请人保留对如上文预期的权利要求2和3以及权利要求8提出分案专利申请的权利。

附图说明

通过借助于附图对仅出于例示目的且无限制而被例示的优选但非排他性的实施方案的以下详细描述进行审查，本发明的其他特征和优点将得到更好的突显，其中：

-图1是涡轮膨胀机的一部分的轴对称且示意性的截面图，其指示了先前已相对于EP 2591211进行评论的现有技术；

-图2是根据本发明的涡轮膨胀机的一部分的轴对称且示意性的截面，其设有处于第一配置的密封装置；

-图3是图2的放大图；

-图4是根据本发明的涡轮机的密封装置的部件的轴对称且示意性的截面图；

-图5是图2所示的涡轮膨胀机的轴对称且示意性的截面，其中密封装置处于第二配置；

-图6是图2所示的涡轮膨胀机和与其相关联的增压系统的轴对称且示意性的截面图；

-图7是图4所示的密封装置的部件的替代型式的轴对称且示意性的截面图；

-图8是图7所示的密封装置的部件的一部分的立体图。

具体实施方式

图1是根据现有技术的涡轮机(特别是在有机朗肯循环ORC系统中运行的涡轮机)的一部分的示意图。涡轮机包括支承盘13的轴15。轴15可以通过置入的轴承20和安装在轴承20左侧但未示出的其他置入的轴承被支撑在支撑套筒19(也被称为卡盘)中。在这种情况下，由于盘13安装在轴承20的右侧，所以该盘相对于轴-轴承系统将是悬臂式的。围绕轴15在该轴与支撑套筒19之间设有壳体15a，该壳体支承至少一个密封系统15b并允许轴15旋转，从而无论如何都将形成有效的密封，使得防止或以任何方式限制流体在被布置在密封系统15b左侧的环境A与盘13的侧面(也在左侧)所朝向的环境B之间流动。密封系统可以例如由一个或多个机械密封件、一个或多个弹性体环形密封件、一个或多个刚性密封件或这些元件的组合或以其他方式构成。旋转轴15的支撑套筒19可以与可移除元件集成一体(如图所示)或紧固连接，所述可移除元件诸如螺栓、静止结构17，即不旋转。该静止结构17具有在盘13的前面的一部分，并且在该结构本身之外将环境B与环境C分开。

环境A对应于存在轴承20的处于第一压力下的环境；环境B对应于旋转式机器的内部环境的一部分，其中，工作流体以第二工作压力存在；环境C处于静止结构或壳体17外部的环境压力下，取决于机器安装位置。然后使密封系统15b承受环境A与环境B之间的压力差，因此，在较高压力下存在于环境B中的流体具有朝向处于较低压力的环境A的趋势，如上所述，该趋势在机器运行期间会被密封系统15b有规律地阻碍。反之亦然，如果环境B的压力低于环境A的压力，则机械密封件15b会防止空气或润滑液在此过程中进入轴承和/或机械密封件。

另外的密封装置包括至少一个可移动环形件30，该可移动环形件被容纳并被轴向导向在对应的环形凹部31中，该环形凹部形成在由旋转轴15支撑的盘13的前面的静止结构17(屏蔽件或壳体)的壁中。大体上，环形凹部31和可移动环形件30与轴15同心，而凹部31用作柱体，可移动环形件30可以根据命令像活塞一样在所述凹部中朝向和远离所述盘13的面对表面13a移动。密封垫片(34和35)相对于凹部31安装在可移动环形件上。

可移动环形件30具有面对盘13的头部，并且在所述部分的前面，可移动环形件30设有环形喉部，在该环形喉部中可以容纳和保持环形前密封垫片37，该环形前密封垫片由例如由弹性体制成的O形环构成。可移动环形件30可以在图1所示的向后非活动位置与附图未示出的朝右侧的向前活动位置之间位移，在所述向后非活动位置，前密封垫片37远离盘13的面对表面13a，在所述向前活动位置，前密封垫片37倚靠在所述盘13的面对表面13a上。当转子停止时(例如，在维护操作期间或在更换旋转密封件15b时)，所述向前位置被操作以使环境B与环境A或C隔离。

可移动环形件30的位移是由通过导管44提供的加压流体引起的。返回到初始位置是由弹簧38引起的。

如果垫片34、35和37长时间暴露在高温下则容易磨损。此外，尽管在与制成垫片34和35的弹性体材料相适应的温度下工作，但是对于它们必须经受的动态行为并没有太多地表示。因为可以消除这些垫片34和35，所以本发明所主张的解决方案解决了这些问题；现在将详细描述优选实施方案。

图2-7示出了根据本发明的涡轮机的一部分，然而本发明通常可应用于更多类型的旋转式机器。

本质上，图2-7所示的涡轮机部分包括与以上关于图1所表示和描述的那些等同的一些部件和零件，为简单起见，用相同的附图标记对其进行表示。

此外，在与本发明有关的描述和附图中，为了简单起见，仅限定了两个环境：第一环境E，其包括在波纹管活塞30x与外部环境之间的任何环境；以及第二环境D，其被定义为存在工作流体的机器的内部空间。因此，例如，图1的环境A和C被包括在图2-7的环境E中。

旋转轴15由轴承20相对于静止支撑套筒19(也被称为卡盘)支撑。用附图标记15b示意性地示出了机械密封件和相应的壳体，其等同于图1所示的密封系统15a-15b。在示出的实例中，旋转轴15的头部15c在头部15c处具有比轴15的其余部分大的直径的截面，如图2-7所示。

本文中使用表述“轴向”来表示与轴15的旋转轴线平行的轴线或方向。

支撑套筒19通过置入连接环形件12而被约束在涡轮机的静止结构17例如壳体上，而该连接环又装配有元件12'(图2和3)。开口6被限定在壳体17中，用于使工作流体进入涡轮中，该工作流体被导向朝向定子叶片阵列7以开始膨胀。与定子叶片阵列7流体联接的转子叶片阵列8被紧接布置在所述定子叶片阵列的下游，并由转子盘13支撑，而该转子盘又在其头部15c处与轴15联接，使得与所述轴集成一体地旋转。图3是图2的放大图，并且详细示出了密封装置10。

在连接环形件12中，该连接环形件用作涡轮机的支撑套筒19与壳体17之间的法兰，设有：

-加压流体的供给导管11，用于启用密封装置10本身；

-座部31，该座部尤其是由连接环形件12和与其相关联的元件12'限定的，导管11到达的波纹管活塞30x可以在其中轴向移动。

前密封件(例如石墨)60设置在波纹管活塞30x的连接环形件12与环形件30'之间，如在环形件30’与元件12'之间，在附图中以黑色矩形表示。

座部31可以直接安装在壳体17中。然而，被约束在壳体上但无论如何可以与其分开的部件12和12'的存在允许容易地组装(在机器实施期间)或拆解(无论密封系统10是否应发生故障或是否决定对整个机器进行修理)波纹管密封系统10，因为其可以在存在卡盘的一侧从壳体中被完全抽出。

图4示出了与涡轮机的其他部件隔离的波纹管活塞30x。波纹管活塞30x是由两个例如由钢制成的同心柱形波纹管元件21和22形成的环形元件，所述波纹管元件在一侧(图中左侧)被焊接到第一环形件30'，而在另一侧(图中右侧)被焊接到第二环形件30”。在右环形件30”上存在密封表面37，所述密封表面旨在与在旋转轴的头部15c的面对支撑套筒19的表面上形成的对应的环形座部40接合。在类似的配置中，环形座部40直接形成在转子盘13上或与旋转轴集成一体的任何其他零件上。密封表面37和40可以是两个互补的表面(凹面-凸面)或平坦的(一个或两个)表面。两个柱形波纹管元件21和22围绕连接环12相对于旋转轴15在外部延伸。

两个柱形波纹管元件21和22的直径不同，使得在内部柱形波纹管元件21与外部柱形波纹管元件22之间限定内部容积V_i。加压流体的供给导管11的一部分延伸穿过环形件30'。当将波纹管活塞30x插入连接环形件12中形成的相应座部31中时，导管11允许在内部容积V_i中供给加压流体，以引起波纹管活塞30x的膨胀/扩张。

如图3和4所示，左环形件30'被约束在连接环形件12上，因此被间接地约束在壳体17上且因此保持静止。利用螺钉或螺栓实现联接。相反，左环形件30”不是轴向锁定的，而是可以在座部31中朝向转子盘13自由地移动；因此，内部容积V_i的加压会引起两个柱形波纹管元件21和22扩张，从而推动环30”朝向转子盘13或轴的头部15c，直到使密封表面37抵靠环形座部40。

波纹管活塞30x被径向地约束在连接环形件12与元件12'之间的座部31上：特别地，环形件30”沿着由环形件12或由元件12'(在波纹管外部)界定的柱形表面自由地移动(更多地径向布置在波纹管内部)；因此，两个柱形波纹管元件21和22的手风琴状膨胀只能在轴向方向上发生，被导向在两个柱形表面之间。

实际上，内部容积V_i的加压引起波纹管活塞30x的环形件30”朝着图5所示的向前活动位置移动。

实际上，如图5所示，通过按压在轴的头部15c上，环形件30”实现了密封系统，该系统将涡轮机的内部环境D与安装有轴承20和机械密封件15b的区域隔离开来，因此，可以安全地拆卸它们，避免溢出或污染工作流体。实际上，图5中部分地示出了涡轮机的拆卸，其中，支撑套筒19与密封装置10和壳体17隔开。随后，还可以移除旋转密封件15b，而环境D和E之间仍然没有任何连通。

密封表面37可以通过使用由弹性体材料制成的O形环来获得，但是，如关于现有技术所描述的那样，高温会对O形环垫片产生负面影响。因此，密封表面37优选地是金属垫片，或者通过适当地在环30”的突出部上加工而获得，使得与座部40形成简单的金属-金属接触。在这种情况下，建议对表面37和座部40进行矫正，以实现流体密封方面的最佳性能。无论如何，应该指出的是，表面37和40之间的较小泄漏是可以允许的，因为其仅在进行维护所需的几个小时内出现，而消除图1中的静止垫片34和35则更为重要，因为通过这些静止垫片发生的泄漏会在机器的“正常”运行过程中起作用。

有利的是，如图5所见，密封装置10允许在静止零件与可移动零件(图1中的34和35)之间不使用O形环的情况下拆卸涡轮机。在移除轴承之前，当涡轮机停止时，转子和轴被至少一个穿过壳体的螺钉锁定和支撑，所述螺钉可以从外部被操作，并且可以被抓持在转子上对应的螺纹孔中(请参见图1中的闩锁51)。在致动密封装置10之后，可以更换布置在涡轮机内部的轴承20和机械密封件15b。如果轴承20或机械密封件15b小于支撑套筒19的内径，则所述轴承或机械密封件可以滑出轴15的左端，因为涡轮的配置是悬臂式的。否则，支撑套筒19可以不受其他固定零件的约束，从而使得可以抽出轴承20和机械密封件15b，同时保持涡轮机的内部环境D与外部环境E隔离。

可以利用空气、润滑油或利用ORC循环的工作流体来致动波纹管活塞30x的加压。

在维护操作结束时，导管11中的加压流体的供给被中断，并且波纹管活塞30x内部的体积Vi的压力迅速返回到初始值，从而引起两个柱形波纹管元件21和22的收缩(回弹)并且环形件30”在座部31中随后后退，即，引起波纹管活塞30x返回到向后非活动位置，如图2所示。

建议确定两个柱形波纹管元件21和22的环的尺寸，以防止在内部容积V_i和外部之间的压力差较小的情况下波纹管活塞30x延伸/扩张到向前活动位置。该预防措施有助于防止波纹管活塞30x在涡轮机正常运行过程中与转子零件接触；例如，在以低于大气压的压力下运行并且在机器的正常运行期间波纹管的内部容积V_i被保持在大气压力下的系统中，波纹管活塞30x总是会受到压力差的影响，这可能会使其朝向转子盘13移动。通过选择适当的刚性波纹管元件，即通过选择例如长度单位的环的数量、环的形状和厚度，可以实现该操作。

在下表1中例示了取决于波纹管活塞30x的内部容积V_i与内部环境D之间的压力差的密封装置10的可能的操作方法。

表1

对于小于2bar的压力差，两个柱形波纹管元件21和22朝向轴的头部15c的轴向变形可以忽略不计，即小于一毫米。对于4bar的压力差，两个柱形波纹管元件21和22的轴向变形使得5mm的环30”朝向头部15c位移，这种情况使环30”与轴15c的头部轻微接触，但是没有足够的推力来产生密封。压力差的增加引起环30”与头部15c之间的接触力增大，特别是在密封表面37与座部40之间的接触力增大，直至实现密封。

在图中未示出的替代配置中，波纹管活塞30x通过弹簧被保持在向后非活动位置；然而，当想要在涡轮机停止时操作波纹管活塞30x时，该决定需要用于在涡轮机中定位弹簧的额外空间以及对容积V_i的更高加压。

波纹管活塞30x被冷却并且用作散热器元件，该散热器元件保持密封系统的温度低于环境D中的工作流体的温度。可以通过在波纹管活塞30x的内部容积V_i中供给冷却剂来实现冷却，从而确保容积V_i中的冷却剂的压力不达到或超过操作波纹管活塞30x所需的最小压力，即引起两个柱形波纹管元件21和22膨胀/扩张和密封表面37朝向转子部移动所需的最小压力。

适用于此目的的冷却剂是，例如，油和在插入涡轮机的热力循环中所使用的相同工作流体。冷却剂流可以在专用回路中循环或来自润滑系统的另一个冷却回路。

将波纹管活塞30x也用作辐射表面的可能性允许改善机械密封件15b的工作条件，如关于现有技术所提及的，其工作寿命随着工作温度的升高而趋于降低。

鉴于两个波纹管元件21和22得益于波纹管的配置而具有相对于波纹管活塞30x的轴向延伸部更大的热交换表面，因此冷却是特别高效的。

图5示意性地示出了在密封系统10也没有用于冷却的情况下用于操作波纹管活塞30x的可能的系统。在这种情况下，连接到阀201的单个加压流体供给管线202例如压缩空气或氮气瓶管线就足够了；加压之后，阀201关闭。此外，建议还使用罐200，以补偿回路中的任何泄漏并允许安全地实施维护操作。

图6示意性地示出了在密封系统10受到冷却的情况下用于操作波纹管活塞30x的可能的系统。两个柱形波纹管元件21和22内部的容积V_i与两个导管相结合：入口导管11A和出口导管11B，使得实现冷却回路300。在图6所示的实例中，回路300包括泵100，该泵从罐105中抽出冷却剂，并将其通过入口通道11A推入波纹管活塞30x中。在完成对波纹管活塞30x的冷却作用后，冷却剂通过通道11B流出并返回到罐105，该罐通过适当的装置和回路(未示出)被冷却。

当在机器停止而必须操作密封装置10时，使电动泵100停止并关闭被布置在出口通道11B上的阀103。因此，例如致动正排量和手动活塞类型的泵101以对回路300和波纹管活塞30x加压。主泵100的安全阀102用于避免波纹管活塞30x被过度加压。通过关闭阀103并允许多余的流量从安全阀102排出，可以仅利用泵100对波纹管活塞加压。

优选的是，利用手动闭合回路系统致动活塞，即对其加压，因为其不受可能引起波纹管密封系统意外断开的任何损坏或网络中断的影响。

图7和8是波纹管活塞30y的优选实施方案的示意图。为了提高隔热效果，通过两个径向隔片21A和21B将波纹管活塞30y的内部容积V_i划分为三个室V₁₁、V₁₂和V₁₃：这种预防措施可以避免停滞区域并为冷却剂创建优先路径。每个隔片21A和21B分别是被焊接到波纹管元件21的环上的环形件20A和20B的一部分，并且布置在波纹管活塞30y的轴向范围的大约三分之一至三分之二处。

内部容积V_i中的冷却剂通过套管50被输送到离进口IN最远的室V₁₁。冷却剂沿切向分布，如图8中的虚线箭头所示。在室V₁₁中，被隔片21B界定在左侧和被环形件30”界定在右侧的冷却剂沿着两个柱形波纹管元件21和22之间的环切向地流动直至越过隔片21B，相对于入口通道IN约180°，即，在隔片21B以一定角度被中断的位置。因此，流体流到中间室V₁₂并沿其路径切向继续流动，该路径被隔片21A界定在左侧以及被隔片21B界定在右侧。在入口套管50处，隔片21A被中断，因此流体进入室V₁₃，再次越过波纹管之间的空间，并最终流向出口OUT。

冷却剂在由径向隔片21A、21B限定的室V₁₁-V₁₃之间通过是在隔片21A、21B没有径向地拦截存在于两个柱形波纹管元件21和22之间的整个空隙的情况下发生的：在图7和8中，隔片21B在上部被中断，而隔片21A在下部被中断，在该下部也存在入口套管50；例如，在这两种情况下，隔片的中断都会延伸约20°度。

如果两个柱形波纹管元件21和22的平均直径明显不同，或者出于其他构造要求(例如，以补偿不同的刚度)，则波纹管元件可以具有在数量、尺寸和形状方面不同的环。每个柱形波纹管元件21、22可以用单壁或多层技术制成。

Claims

1.一种涡轮机，所述涡轮机包括定子部(17)和转子部，所述转子部在工作流体存在的情况下相对于定子部(17)旋转，其中，所述转子部包括由旋转轴(15)支承的至少一个转子盘(13)，所述旋转轴又由轴承(20)支撑并设有用于限制所述工作流体的至少一个旋转密封件(15b)，

并且所述涡轮机包括流体密封装置(10)，所述流体密封装置设有与所述旋转轴(15)同心的环形元件(30x)并设有至少一个环形密封表面(37)，并且所述涡轮机包括在所述定子部中的所述环形元件(30x)的座部(31)，

其中，所述环形元件(30x)能够被操作以将存在所述工作流体的旋转机的内部环境(D)与外部环境(E)隔离开，

其中，所述环形元件是波纹管活塞(30x)，所述波纹管活塞能延伸或能扩张以使所述环形密封表面(37)从向后非活动位置移动到向前活动位置，在所述向后非活动位置，所述环形密封表面(37)不与所述转子部相互作用，在所述向前活动位置，所述环形密封表面(37)抵靠所述转子部的部件，例如所述转子盘(13)或所述轴(15)的头部(15c)，从而确保所述隔离，

其特征在于，在机器正常运行期间，冷却剂被供给到所述波纹管活塞(30x)内部。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述波纹管活塞的座部(31)是与所述旋转轴(15)同心的环形座部，所述环形座部在所述机器的所述定子部与面向所述转子盘(13)或所述轴(15)的所述头部(15c)的点之间沿轴向即平行于所述旋转轴(15)的旋转轴线延伸，并且其中，所述波纹管活塞(30x)由于所述延伸/扩张而在所述座部(31)中轴向滑动。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮机，其中，所述波纹管活塞(30x)包括直径不同且同心布置的两个柱形元件(21、22)，所述两个柱形元件在第一边缘处与第一环形件(30')接合并且在相反边缘处与第二环形件(30”)接合，并且其中，在所述两个柱形波纹管元件(21、22)与所述两个环形件(30’、30”)之间限定内部可加压体积(V_i)。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中，加压流体的供给导管(11)延伸穿过所述第一环形件(30')以允许操作所述密封装置(10)。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的涡轮机，其中，所述第一环形件(30')插入所述波纹管活塞(30x)的所述座部(31)中并且面向所述机器的所述定子部且与所述定子部集成一体，并且其中，能够轴向移动的所述第二环形件(30”)支承所述密封表面(37)且面向所述转子盘(13)或所述轴(15)的所述头部(15c)。

6.根据前述权利要求3至5中任一项所述的涡轮机，其中，所述波纹管活塞(30x)能够通过将所述内部体积(V_i)加压至比所述机器的所述内部环境(D)中的压力高的压力而被操作，并且所述波纹管活塞能够通过在所述内部体积(V_i)中重新建立比使接触所述转子部的所述环形密封表面(37)移动所需的最小压力低的压力而被停用。

7.根据前述权利要求3至6中任一项所述的涡轮机，其中，所述两个柱形波纹管元件(21、22)、所述第一环形件(30')和所述第二环形件(30”)由金属制成并通过焊接接合。

8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的涡轮机，其中，所述环形密封表面(37)由金属制成并且旨在抵靠具有与所述密封表面(37)互补的形状的平坦表面或座部(40)，所述平坦表面或座部能够在所述转子盘(13)或所述轴的所述头部(15c)中形成或者是由弹性材料制成的环形垫片。

9.根据前述权利要求3至8中任一项所述的涡轮机，其中，所述两个柱形波纹管元件(21、22)中的至少一个柱形波纹管元件包括一个或多个径向隔片(21A、21B)，所述径向隔片将所述内部体积(V_i)分成在所述第一环形件(30')与所述第二环形件(30”)之间相继布置的两个或更多个连通室(V₁₁-V₁₃)，使得为所述冷却剂提供优先路径。

10.根据权利要求9所述的涡轮机，其中，所述波纹管活塞具有入口(IN)和套管(50)，所述入口用于在所述第一环形件(30')中获得的所述冷却剂，所述套管从所述入口(IN)延伸到靠近所述第二环形件(30”)的所述室(V₁₁)，并且所述波纹管活塞在与所述入口(IN)沿直径相反的位置包括出口(OUT)，所述出口用于在所述第一环形件(30')中获得的所述冷却剂，并且其中，所述冷却剂通过越过将各室打断的所述径向隔片(21A、21B)从靠近所述第二环形件(30”)的所述室(V₁₁)流到其他室，最后到达所述出口(OUT)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机是在有机朗肯循环中运行的涡轮机。

12.一种在涡轮机中限制工作流体的方法，所述涡轮机包括定子部和转子部，所述转子部能通过所述工作流体施加的作用而相对于所述定子部旋转，其中，所述转子部包括由旋转轴(15)支承的至少一个转子盘(13)，所述旋转轴又由轴承(20)支撑并设有用于防止所述工作流体流出的至少一个密封件(15b)，所述方法包括以下步骤：

a)将根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(10)绕所述旋转轴(15)且优选地绕所述密封件(15b)同心地布置，所述密封装置设有波纹管活塞(30x)，所述波纹管活塞能够被操作以将存在所述工作流体的所述涡轮机内部的环境(D)与所述涡轮机外部的环境(E)分开；

b)使所述涡轮机停止并使所述波纹管活塞(30x)延伸/扩张以将相应所述环形密封表面(37)从所述向后非活动位置移动到所述向前活动位置，并将所述环形密封表面保持在这种位置以将所述外部环境(E)与所述内部环境(D)隔离必要的一段时间，

c)在重新启动所述涡轮机之前，停用所述波纹管活塞(30x)以将相应所述环形密封表面(37)从所述向前活动位置带回到所述向后非活动位置，其中，在所述机器正常运行期间将冷却剂供给到所述波纹管活塞(30x)内部。