CN111706405A - 一种干气密封自冷却结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了干气密封自冷却结构及方法，包括互相配合的动环、静环、推环和弹簧座，所述弹簧座沿径向从内至外开设有若干列内冷却微环孔，每一列内冷却微环孔包括沿着弹簧座宽度方向设置的若干排内冷却微环孔，所述若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座内部相互连通并构成内冷却微环孔矩阵，其中，所述内冷却微环孔矩阵的入口与上游高压密封隔离气相连通且出口与下游大气相连通，形成贯通干气密封上下游的微孔冷却通道。方法采用上述干气密封自冷却结构进行干气密封的冷却。本发明完全利用干气密封正常工作过程中自身的工艺过程和条件，有效控制干气密封关键密封垫圈的工作温度，将干气密封的使用温度提高至600℃以上。

Description

一种干气密封自冷却结构及方法
技术领域
本发明涉及密封装置结构的技术领域，更具体地讲，涉及一种干气密封自冷却结构及方法。
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。
超临界二氧化碳发电系统是一种传统蒸汽发电技术的替代方案，具有效率高、简单低成本、起停快等优势。透平是超临界二氧化碳发电系统最为核心的设备之一，通常运行在600℃以上的高温、20兆帕以上的压力、12兆帕以上的压差的极端条件下，对动密封技术提出了严峻挑战，目前能满足超临界二氧化碳透平要求的动密封只有干气密封技术。但现有干气密封受限于其关键部件表面之间采用的柔性塑料密封圈的耐受温度问题，只能在300℃以下的中低温环境使用，无法满足超临界二氧化碳透平高温工况的应用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种能够提高干气密封使用温度并满足超临界二氧化碳透平对动密封的要求的干气密封自冷却结构及方法。
本发明提供了一种干气密封自冷却结构，包括互相配合的动环、静环、推环和弹簧座，所述弹簧座沿径向从内至外开设有若干列内冷却微环孔，每一列内冷却微环孔包括沿着弹簧座宽度方向设置的若干排内冷却微环孔，所述若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座内部相互连通并构成内冷却微环孔矩阵，其中，所述内冷却微环孔矩阵的入口与上游高压密封隔离气相连通且出口与下游大气相连通，形成贯通干气密封上下游的微孔冷却通道。
根据本发明干气密封自冷却结构的一个实施例，动环与静环之间能够相对运动，静环与推环之间设置有第一密封垫圈，推环与弹簧座之间设置有第二密封垫圈，推环与固定的弹簧座之间通过弹簧相连并且推环能够随静环移动。
根据本发明干气密封自冷却结构的一个实施例，所述内冷却微环孔的孔径为0.1mm～0.3mm，所述若干列内冷却微环孔的数量为3～5列，所述每一列内冷却微环孔中若干排内冷却微环孔的数量为4～6排。
根据本发明干气密封自冷却结构的一个实施例，所述内冷却微环孔矩阵的入口与最内侧列内冷却微环孔中靠近上游高压密封隔离气的第一排内冷却微环孔相连通，所述内冷却微环孔矩阵的的出口与最外侧列内冷却微环孔中靠近下游大气的第一排内冷却微环孔相连通。
根据本发明干气密封自冷却结构的一个实施例，所述若干列内冷却微环孔采用等距排布、间距递增排布或间距递减排布的设置方式，所述每一列内冷却微环孔中的若干排内冷却微环孔采用等距排布、间距递增排布或间距递减排布的设置方式。
根据本发明干气密封自冷却结构的一个实施例，所述弹簧座内部的内冷却微环孔矩阵采用3D打印加工形成。
本发明的另一方面提供了一种干气密封自冷却方法，采用上述干气密封自冷却结构进行干气密封的冷却。
本发明的再一方面提供了一种干气密封自冷却方法，在干气密封的弹簧座中加工形成内冷却微环孔矩阵，使所述内冷却微环孔矩阵的一侧与上游高压密封隔离气连通且另一侧与下游大气连通，通过干气密封自带的高压密封隔离气在上下游压差的作用下沿弹簧座内部的内冷却微环孔矩阵流动实现冷却。
根据本发明干气密封自冷却方法的一个实施例，所述内冷却微环孔矩阵由沿弹簧座径向从内至外开设的若干列内冷却微环孔与每一列内冷却微环孔所包括的沿着弹簧座宽度方向设置的若干排内冷却微环孔构成，所述若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座内部相互连通。
与常规方案相比，本发明的干气密封自冷却结构及方法，可以在不引入额外辅助系统和冷却介质、不增加干气密封结构复杂度的前提下，完全利用干气密封正常工作过程中自身的工艺过程和条件，有效控制干气密封关键密封垫圈的工作温度，将干气密封的使用温度提高至600℃以上，完全解决超临界二氧化碳透平等高温旋转机械的动密封问题。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例干气密封自冷却结构的结构示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例干气密封自冷却结构的冷却路径示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施例干气密封自冷却结构中示出弹簧座的内冷却微环孔矩阵的剖面结构示意图。
附图标记说明：
1-动环、2-静环、3-第一密封垫圈、4-第二密封垫圈、5-推环、6-弹簧座、7-内冷却微环孔、8-内冷却微环孔矩阵的入口、9-内冷却微环孔矩阵的出口。
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干气密封自冷却结构的结构示意图，图2示出了根据本发明示例性实施例干气密封自冷却结构的冷却路径示意图，其中，图2中还同时示出了现有技术中干气密封的冷却路径。
如图1和图2所示，干气密封自冷却结构中的干气密封包括互相配合的动环1、静环2、推环5和弹簧座6，其中，动环1与静环2之间能够相对运动，静环2与推环5之间设置有第一密封垫圈3，起到静环2与推环5之间的气体密封功能；推环5与弹簧座6之间设置有第二密封垫圈4，起到推环与弹簧座之间的气体密封功能；推环5与固定的弹簧座6之间通过弹簧相连并且推环能够随静环移动，起到动密封作用。
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6之间设置的第二密封垫圈4，该垫圈由于功能需求只能采用塑料材料。干气密封使用时与透平缸体装配在一起，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6与第二密封垫圈4接触的内表面温度将超过300℃，第二密封垫圈4将熔毁，干气密封将破坏失效。
如图1和图2所示，根据本发明的示例性实施例，弹簧座6沿径向从内至外开设有若干列内冷却微环孔7，每一列内冷却微环孔7包括沿着弹簧座6宽度方向设置的若干排内冷却微环孔7，若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座6内部相互连通并构成内冷却微环孔矩阵，其中，内冷却微环孔矩阵的入口8与上游高压密封隔离气相连通且出口9与下游大气相连通，形成贯通干气密封上下游的微孔冷却通道。
图3示出了根据本发明示例性实施例干气密封自冷却结构中示出弹簧座的内冷却微环孔矩阵的剖面结构示意图。
如图3所示，图3实际示出了弹簧座的径向剖面结构，图中呈现的若干个环形结构即为沿径向从内至外开设的若干列内冷却微环孔7，每一个环形结构实际上代表一列内冷却微环孔7，每一个内冷却微环孔是一圈环形孔。如图1所示，图1实际示出了弹簧座的轴向剖面结构和所形成的内冷却微环孔矩阵，每一列内冷却微环孔7还包括沿着弹簧座的宽度方向设置的若干排内冷却微环孔7。其中，弹簧座的宽度方向与轴向方向平行，若干排内冷却微环孔7的设置数量需根据弹簧座的宽度来设定。
优选地，内冷却微环孔的孔径为0.1mm～0.3mm，若干列内冷却微环孔的数量为3～5列，每一列内冷却微环孔中若干排内冷却微环孔的数量为4～6排，弹簧座内部的内冷却微环孔矩阵优选地采用3D打印加工形成。
其中，若干列内冷却微环孔可以采用等距排布、间距递增排布或间距递减排布的设置方式，每一列内冷却微环孔中的若干排内冷却微环孔也可以采用等距排布、间距递增排布或间距递减排布的设置方式。
内冷却微环孔矩阵的入口与最内侧列内冷却微环孔中靠近上游高压密封隔离气的第一排内冷却微环孔相连通，内冷却微环孔矩阵的出口与最外侧列内冷却微环孔中靠近下游大气的第一排内冷却微环孔相连通。
由此，运行时，干气密封自带的高压隔离气在上下游压差的作用下，将自动沿弹簧座内加工的内冷却微环孔矩阵流动，将弹簧座沿径向从外至内冷却至第二密封垫圈可接受的温度，保证第二密封垫圈运行的安全可靠性。
本发明的干气密封自冷却方法采用上述干气密封自冷却结构进行干气密封的冷却。
当然本发明的干气密封自冷却方法也可以不采用上述特定的结构，而是通过在干气密封的弹簧座6中加工形成内冷却微环孔矩阵，使内冷却微环孔矩阵的一侧与上游高压密封隔离气连通且另一侧与下游大气连通，通过干气密封自带的高压密封隔离气在上下游压差的作用下沿弹簧座内部的内冷却微环孔矩阵流动实现冷却。
在此种情况下，内冷却微环孔矩阵可以由沿弹簧座径向从内至外开设的若干列内冷却微环孔与每一列内冷却微环孔所包括的沿着弹簧座宽度方向设置的若干排内冷却微环孔构成，若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座内部相互连通，形成贯通干气密封上下游的微孔冷却通道。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1～图3所示，干气密封从左至右依次为动环1、静环2、推环5、弹簧座6，第一密封垫圈3置于静环2与推环5之间，起到静环2与推环5之间的气体密封功能，第二密封垫圈4置于推环5与弹簧座6之间，起到推环5与弹簧座6之间的气体密封功能。推环5与固定的弹簧座6通过弹簧相连，使推环5可跟随静环2移动，起到动密封作用。
弹簧座6沿径向从内至外开设有5列内冷却微环孔7，孔径为0.2mm，每一列内冷却微环孔7根据弹簧座6的宽度设置5排内冷却微环孔7，构成内冷却微环孔矩阵。内冷却微环孔7在弹簧座6内部相互连通并采用3D打印加工而成，内冷却微环孔矩阵的入口与上游高压密封隔离气相连通，出口与下游大气相连通，形成贯通干气密封上下游的微孔冷却通道。
运行时，干气密封自带的高压密封隔离气在上下游压差的作用下，将自动沿弹簧座6中内冷却微环孔矩阵的内冷却微环孔7流动，将弹簧座6沿径向从外至内冷却至第二密封垫圈4可接受的温度，保证第二密封垫圈运行的安全可靠性。
综上所述，本发明可以在不引入额外辅助系统和冷却介质、不增加干气密封结构复杂度的前提下，完全利用干气密封正常工作过程中自身的工艺过程和条件，有效控制干气密封关键密封垫圈的工作温度，将干气密封的使用温度提高至600℃以上，完全解决超临界二氧化碳透平等高温旋转机械的动密封问题。
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 (9)

1.一种干气密封自冷却结构，包括互相配合的动环、静环、推环和弹簧座，其特征在于，所述弹簧座沿径向从内至外开设有若干列内冷却微环孔，每一列内冷却微环孔包括沿着弹簧座宽度方向设置的若干排内冷却微环孔，所述若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座内部相互连通并构成内冷却微环孔矩阵，其中，所述内冷却微环孔矩阵的入口与上游高压密封隔离气相连通且出口与下游大气相连通，形成贯通干气密封上下游的微孔冷却通道。
2.根据权利要求1所述的干气密封自冷却结构，其特征在于，动环与静环之间能够相对运动，静环与推环之间设置有第一密封垫圈，推环与弹簧座之间设置有第二密封垫圈，推环与固定的弹簧座之间通过弹簧相连并且推环能够随静环移动。
3.根据权利要求1所述的干气密封自冷却结构，其特征在于，所述内冷却微环孔的孔径为0.1mm～0.3mm，所述若干列内冷却微环孔的数量为3～5列，所述每一列内冷却微环孔中若干排内冷却微环孔的数量为4～6排。
4.根据权利要求1所述的干气密封自冷却结构，其特征在于，所述内冷却微环孔矩阵的入口与最内侧列内冷却微环孔中靠近上游高压密封隔离气的第一排内冷却微环孔相连通，所述内冷却微环孔矩阵的的出口与最外侧列内冷却微环孔中靠近下游大气的第一排内冷却微环孔相连通。
5.根据权利要求1所述的干气密封自冷却结构，其特征在于，所述若干列内冷却微环孔采用等距排布、间距递增排布或间距递减排布的设置方式，所述每一列内冷却微环孔中的若干排内冷却微环孔采用等距排布、间距递增排布或间距递减排布的设置方式。
6.根据权利要求1所述的干气密封自冷却结构，其特征在于，所述弹簧座内部的内冷却微环孔矩阵采用3D打印加工形成。
7.一种干气密封自冷却方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述干气密封自冷却结构进行干气密封的冷却。
8.一种干气密封自冷却方法，其特征在于，在干气密封的弹簧座中加工形成内冷却微环孔矩阵，使所述内冷却微环孔矩阵的一侧与上游高压密封隔离气连通且另一侧与下游大气连通，通过干气密封自带的高压密封隔离气在上下游压差的作用下沿弹簧座内部的内冷却微环孔矩阵流动实现冷却。
9.根据权利要求8所述的干气密封自冷却方法，其特征在于，所述内冷却微环孔矩阵由沿弹簧座径向从内至外开设的若干列内冷却微环孔与每一列内冷却微环孔所包括的沿着弹簧座宽度方向设置的若干排内冷却微环孔构成，所述若干列内冷却微环孔与若干排内冷却微环孔在弹簧座内部相互连通。
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