CN111706404B - 带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法，装置包括动环、静环、推环和弹簧座，所述弹簧座内部设置有螺旋冷却通道，其中，来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳进入螺旋冷却通道并对弹簧座冷却后从干气密封低压侧排出。方法采用上述带螺旋冷却结构的干气密封装置进行冷却。本发明带有螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法能够实现对干气密封中密封座及推环的冷却，保证浮动密封圈处于安全运行的温度条件，确保干气密封在高温超临界二氧化碳工质条件下运行的可靠性和安全性。

Description

带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法
技术领域
本发明涉及先进涡轮设备密封的技术领域，更具体地讲，涉及一种可用于超临界二氧化碳动力循环中旋转机械轴端密封的带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法。
背景技术
超临界二氧化碳动力装置以处于超临界状态的二氧化碳作为工质实现系统的能量传输和能量转换，采用布雷顿热力循环方式。传统的热能发电技术通常以水蒸汽为工质的朗肯循环，相比于超临界二氧化碳布雷顿循环，利用水蒸汽的朗肯循环效率偏低、体积大、投资成本高。因此，由于超临界二氧化碳能量转换技术高效、紧凑、低成本、模块化等特点使广泛地作为下一代核电站、太阳能、地热能、化石能等发电或动力领域的能量转换装置。
为了提高循环效率，需要在旋转机械轴端位置采用低泄漏量的干气密封。干气密封作为一种非接触密封，具有功耗小、泄漏量小、寿命较长等优点，在旋转机械密封领域有较广泛地应用。在超临界二氧化碳动力循环中，超临界二氧化碳工质较高的温度给干气密封在超临界二氧化碳动力循环中应用的可靠性和安全性提出了巨大挑战。特别是对于推环和弹簧座处的浮动密封圈难以采用耐高温材料，因此浮动密封圈在高温下失效成为了干气密封应用于高温超临界二氧化碳工质条件下的关键问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种实现干气密封冷却并避免浮动密封圈失效的带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法。
本发明的一方面提供了带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，包括动环、静环、推环和弹簧座，所述弹簧座内部设置有螺旋冷却通道，其中，来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳进入螺旋冷却通道并对弹簧座冷却后从干气密封低压侧排出。
根据本发明带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的一个实施例，所述动环安装在转轴上，静环安装在透平气缸腔体内，所述动环与静环互相配合并且来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳能够在所述动环与静环之间形成刚性气膜。
根据本发明带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的一个实施例，所述动环通过轴套安装在转轴上且动环与轴套之间设置有动环密封圈，所述转轴与轴套之间设置有轴套密封圈；所述推环与弹簧座之间设置有浮动密封圈，推环与固定的弹簧座之间还通过弹性元件相连并且推环能够随静环移动而移动。
根据本发明带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的一个实施例，所述动环密封圈和轴套密封圈采用金属密封圈，所述浮动密封圈采用弹簧蓄能圈且外部包裹改性聚四氟乙烯。
根据本发明带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的一个实施例，所述弹簧座的端面设置与螺旋冷却通道连通的冷却气体进口孔，所述冷却气体进口孔靠近所述动环与静环的配合端面设置。
根据本发明带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的一个实施例，所述螺旋冷却通道的出口通过管路和抽吸泵与大气相连或与主循环系统相连。
根据本发明带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的一个实施例，所述螺旋冷却通道的截面为矩形、圆形、三角形或多边形，所述螺旋冷却通道具有多个螺旋并且螺旋冷却通道在径向方向和轴向方向上覆盖弹簧座的整个本体。
本发明的另一方面提供了超临界二氧化碳干气密封自冷却方法，采用上述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置进行冷却。
本发明的再一方面提供了超临界二氧化碳干气密封自冷却方法，在超临界二氧化碳干气密封的弹簧座中加工形成螺旋冷却通道，使来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳进入螺旋冷却通道并对弹簧座冷却后从干气密封低压侧排出实现冷却。
与常规方案相比，本发明带有螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置及方法能够实现对干气密封中密封座及推环的冷却，保证浮动密封圈处于安全运行的温度条件，确保干气密封在高温超临界二氧化碳工质条件下运行的可靠性和安全性。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-动环；2-动环密封圈；3-静环；4-轴套密封圈；5-浮动密封圈；6-推环； 7-抽吸泵；8-螺旋冷却通道；9-弹簧座。
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带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳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，上述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置包括动环1、静环3、推环6和弹簧座9。
其中，动环1安装在转轴上，静环3安装在透平气缸腔体内，动环1与静环2互相配合并且能够相对运动，来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳能够在动环1与静环3之间形成刚性气膜形成干气密封。
动环1通过轴套安装在转轴上且动环1与轴套之间设置有动环密封圈2，转轴与轴套之间设置有轴套密封圈4。其中，动环密封圈2和轴套密封圈4等等静止密封圈均采用耐高温的金属密封圈。
推环6与弹簧座9之间设置有浮动密封圈5，起到推环6与弹簧座9之间的气体密封功能。并且，推环6与固定的弹簧座6之间通过弹性元件如弹簧相连并且推环6能够随静环3的移动而移动，起到动密封作用。其中，浮动密封圈5采用弹簧蓄能圈且外部包裹改性聚四氟乙烯。
现有技术中的干气密封无法承受高温主要受限于推环5与弹簧座9之间设置的浮动密封圈5，该浮动密封圈难以在较高温度下工作。干气密封使用时与透平气缸装配在一起，气缸缸体的温度将通过弹簧座外表面沿径向向内表面传递，当缸体温度超过350℃时，弹簧座9与浮动密封圈5接触的内表面温度将超过300℃，浮动密封圈5将毁坏而导致干气密封破坏失效。
本发明在弹簧座9内部设置螺旋冷却通道8，来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳进入螺旋冷却通道8并对弹簧座9冷却后从干气密封低压侧排出。
其中，弹簧座9的端面设置与螺旋冷却通道8连通的冷却气体进口孔，冷却气体进口孔靠近动环1与静环3的配合端面设置。螺旋冷却通道8的出口则通过管路和抽吸泵7与大气相连或与主循环系统相连，优选地通过抽吸泵7将冷却流体重新注入主循环系统参与循环。
由此，在干气密封运行时，密封气体在动环与静环的配合端面之间形成一定厚度的气膜，使得干气密封形成稳定的运转并防止密封端面互相接触。同时，在超临界二氧化碳动力循环中，采用低温高压的超临界二氧化碳工质作为密封气体，密封气体的一部分通过动环与静环的配合端面之间形成刚性气膜，另一部分则通过弹簧座9端面开设的冷却气体进口孔进入弹簧座8内部的螺旋冷却通道8对整个弹簧座进行冷却，从而保证浮动密封圈的工作温度在其允许温度范围内。
优选地，本发明中螺旋冷却通道8的截面可以为矩形、圆形、三角形或多边形等结构形式，螺旋冷却通道8具有多个螺旋并且螺旋冷却通道8在径向方向和轴向方向上覆盖弹簧座的整个本体。具体如图1所示，可见螺旋冷却通道 8分布在弹簧座9的整个本体中，螺旋分布方式随着本体的结构变化而变化，只需要实现对整个本体的冷却作用即可，设计人员可根据需求调整其布置方式。
综上所述，本发明通过将部分低温高压超临界二氧化碳密封气作为冷却工质，通过干气密封内部的螺旋冷却结构，实现对干气密封关键部件的冷却，使其工作在允许的温度范围内，使得干气密封能够在高温超临界二氧化碳工质条件下安全可靠运行。
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)

1.一种带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，包括动环、静环、推环和弹簧座，其特征在于，所述弹簧座内部设置有螺旋冷却通道，其中，来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳进入螺旋冷却通道并对弹簧座冷却后从干气密封低压侧排出；
所述螺旋冷却通道的出口通过管路和抽吸泵与主循环系统相连。
2.根据权利要求1所述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，其特征在于，所述动环安装在转轴上，静环安装在透平气缸腔体内，所述动环与静环互相配合并且来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳能够在所述动环与静环之间形成刚性气膜。
3.根据权利要求1所述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，其特征在于，所述动环通过轴套安装在转轴上且动环与轴套之间设置有动环密封圈，所述转轴与轴套之间设置有轴套密封圈；所述推环与弹簧座之间设置有浮动密封圈，推环与固定的弹簧座之间还通过弹性元件相连并且推环能够随静环移动而移动。
4.根据权利要求3所述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，其特征在于，所述动环密封圈和轴套密封圈采用金属密封圈，所述浮动密封圈采用弹簧蓄能圈且外部包裹改性聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，其特征在于，所述弹簧座的端面设置与螺旋冷却通道连通的冷却气体进口孔，所述冷却气体进口孔靠近所述动环与静环的配合端面设置。
6.根据权利要求1所述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置，其特征在于，所述螺旋冷却通道的截面为矩形、圆形、三角形或多边形，所述螺旋冷却通道具有多个螺旋并且螺旋冷却通道在径向方向和轴向方向上覆盖弹簧座的整个本体。
7.一种超临界二氧化碳干气密封自冷却方法，其特征在于，采用权利要求1至5中任一项所述带螺旋冷却结构的超临界二氧化碳干气密封装置进行冷却。
8.一种超临界二氧化碳干气密封自冷却方法，其特征在于，在超临界二氧化碳干气密封的弹簧座中加工形成螺旋冷却通道，使来自干气密封高压侧的超临界二氧化碳进入螺旋冷却通道并对弹簧座冷却后从干气密封低压侧排出实现冷却。
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