CN113969982A - 一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机领域，具体涉及一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法和结构，干气密封的主密封气从干气密封壳体上的第一气道注入，密封气为冷却气依次沿第二气道、高速轴和拆分环之间的第一间隙向壳体内部流动，一路冷却气通过挡板的排气孔排向壳体内部的排气流道，另一路冷气经过挡板和涡轮盘形成第二间隙排向壳体内部的排气流道，另外拆分环和中间壳体拆分成两个零件后，减小了各自零件上的径向温度梯度，从而减小各自零件上温度应力，从而可以更好地对涡轮机进行冷却，保证了机组强度可靠。

Description

一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法和结构

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，尤其涉及一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法和结构。

背景技术

超临界二氧化碳涡轮机是利用高温(450～780℃)、高压(15～25MPa)超临界二氧化碳作为工质，流经壳体内部的喷嘴环和涡轮盘时膨胀，将热力学能转换为气体动能，推动涡轮盘旋转，涡轮盘与高速转子相连，直接驱动或经齿轮减速后带动发电机发电。壳体内部的压力等级高，要求采用干气密封，防止二氧化碳通过壳体和主轴之间的间隙大量泄露。

干气密封也是由动、静环及动、静环保持架组成。干气密封的静环保持件与壳体间、动环保持件与主轴间安装有橡胶密封圈，这些密封圈对安装位置有温度限制，长期稳定运行时不可超过175℃，而壳体内部二氧化碳高达450～780℃，因此需要对壳体和转子进行冷却，由此会在壳体和转子上产生由450～780℃到175℃较大差值的温度变化，悬臂式超临界二氧化碳涡轮机尺寸小，壳体和转子上用于温度变化的空间有限，因此温度变化会很剧烈，即温度梯度大，从而产生较大的温度应力，对壳体和转子的强度造成威胁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法和结构，旨在解决对涡轮机干气密封结构进行快速冷却，以保持壳体和转子的强度，提高涡轮机寿命。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却结构，包括支撑组件、转子、动密封组件和静密封组件，所述支撑组件包括干气密封壳体、中间壳体、拆分环、挡板和壳体，所述干气密封壳体具有第一气道，所述中间壳体与所述干气密封壳体固定连接，并位于所述干气密封体的一侧，所述拆分环与所述中间壳体固定连接，并位于所述中间壳体内，所述挡板具有多个排气孔，所述挡板与所述中间壳体固定连接，并位于远离所述干气密封壳体的一侧，所述转子包括高速轴和涡轮盘，所述高速轴穿过所述支撑组件，所述高速轴与所述拆分环之间形成第一间隙，所述涡轮盘与所述高速轴固定连接，所述涡轮盘和所述挡板之间形成第二间隙，所述静密封组件与所述干气密封壳体固定连接，所述高速轴穿过所述静密封组件，所述动密封组件与所述高速轴固定连接，并与所述静密封组件接触，所述动密封组件和所述静密封组件之间形成第二气道，所述第一气道、所述第二气道、所述第一间隙和所述第二间隙依次连通。

其中，所述第二间隙的横截面积小于所述排气孔的横截面积。

其中，所述支撑组件还包括流量计和调节阀，所述流量计设置在所述第一气道内，所述调节阀设置在所述第一气道处，并与所述流量计连接。

其中，所述静密封组件包括静环保持架、静环、推环和轴向压缩弹簧，所述静环保持架具有第一内孔和第二内孔，所述推环设置在所述第一内孔内，所述轴向压缩弹簧设置在所述推环和所述静环保持架之间，所述静环设置在所述第二内孔处，并接触所述推环。

其中，所述动密封组件包括动环保持架和干气密封动环，所述干气密封动环设置在所述静环的一侧，所述动环保持架与所述高速轴固定连接并位于所述干气密封动环的一侧。

其中，所述支撑组件还包括挡环，所述挡环与所述中间壳体固定连接，并与所述静环保持架接触。

其中，所述支撑组件还包括迷宫密封和第二弹簧，所述迷宫密封设置在所述拆分环远离所述动密封组件的一侧，所述第二弹簧设置在所述迷宫密封和所述拆分环之间。

第二方面，本发明提供一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法，包括：主密封气从第一气道进入；

主密封气依次沿第一气道、第二气道、第一间隙移动；

主密封气通过排气孔以及第二间隙排出。

其中，所述主密封气从第一气道进入之后，主密封气依次沿第一气道、第二气道、第一间隙移动之前，所述方法还包括：主密封气通过流量计进行测量，并反馈信号给调节阀。

本发明的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法和结构，干气密封的主密封气从干气密封壳体上的第一气道注入，然后密封气作为冷却气，依次沿第二气道，高速轴和拆分环之间的第一间隙向壳体内部流动，之后一路冷却气通过挡板上一圈排气孔排向壳体内部的排气流道，另一路冷气经过挡板和涡轮盘形成第二间隙排向壳体内部的排气流道，另外拆分环和中间壳体拆分成两个零件后，减小了各自零件上的径向温度梯度，从而减小各自零件上温度应力，从而可以更好地对涡轮机进行冷却。

通过仿真计算，发现各零件的应力值小于各自材料的许用应力值，保证了机组强度可靠，表明以上采用干气密封主密封气的冷却方法和优化结构有效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的结构图；

图2是图1细节I的局部放大图；

图3是本发明的动环的结构图；

图4是本发明的挡板的结构图；

图5是本发明的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法图。

1—齿轮箱体；2—螺栓；3—垫片；4—干气密封壳体；4-1—密封气注入孔；5—金属密封圈；6—中间壳体；6-1—中间壳体台阶面；7—双头螺柱；8—螺母；9—双头螺柱；10—螺母；11—金属密封圈；12—壳体；12-1—壳体排气流道；13、14、15、16、17—定位销；18—进气导流罩；19—金属密封圈；20—进气壳体；21—双头螺柱；22—螺母；23—金属密封圈；24—锁紧螺母；25—拉杆；26—金属密封圈；27—螺钉；28—第一级喷嘴环；29—第一级涡轮盘；30—第二级喷嘴环；31—第二级涡轮盘；32—螺钉；33—第三级喷嘴环；34—第三级涡轮盘；35—第四级喷嘴环；36—第四级涡轮盘；37—闷塞；38—干气密封静环保持架；38-1—静环保持架内孔一；38-2—静环保持架内孔二；39—轴向压缩弹簧；40—推环；41—干气密封静环；42—干气密封动环；42-1—干气密封动环螺旋槽；43—干气密封动环保持架；44—防转销；45—挡环；46—圆螺母；47—防转销；48—拆分环；48-1—拆分环圆柱面；49—迷宫密封；50—弹簧；51—固定环；51-1—固定环圆柱面；52、53—螺钉；54—挡板；54-1—挡板排气孔；55—高速轴；56、57、58、59、60、61—橡胶密封圈；62—防转销；63—调整垫；64—螺钉；65—固定套；71-第一气道；72-第二气道；73-第一间隙；74-第二间隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1～图4，第一方面，本发明提供一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却结构，包括：

支撑组件、转子、动密封组件和静密封组件，所述支撑组件包括干气密封壳体4、中间壳体6、拆分环48、挡板54和壳体12，所述干气密封壳体4具有第一气道71，所述中间壳体6与所述干气密封壳体4固定连接，并位于所述干气密封壳体4的一侧，所述拆分环48与所述中间壳体6固定连接，并位于所述中间壳体6内，所述挡板54具有多个排气孔54-1，所述挡板54与所述中间壳体6固定连接，并位于远离所述干气密封壳体4的一侧，所述转子包括高速轴55、第四级涡轮盘36、第三级涡轮盘34、第二级涡轮盘31和第一级涡轮盘29，所述高速轴55穿过所述支撑组件，所述高速轴55与所述拆分环48之间形成第一间隙73，所述第一～第四级涡轮盘(29、31、34、36)与所述高速轴55通过拉杆25和锁紧螺母24固定连接，所述第四级涡轮盘36和所述挡板54之间形成第二间隙74，所述静密封组件与所述干气密封壳体4固定连接，所述高速轴55穿过所述静密封组件，所述动密封组件与所述高速轴55固定连接，并与所述静密封组件接触，所述动密封组件和所述静密封组件之间形成第二气道72，所述第一气道71、所述第二气道72、所述第一间隙73和所述第二间隙74依次连通。

在本实施方式中，干气密封壳体4通过孔轴配合与台阶定位安装在齿轮箱体1上，并通过螺栓2和弹垫3压紧，中间壳体6通过孔轴配合和台阶定位安装在干气密封壳体4上，并通过双头螺柱7和螺母8压紧，干气密封壳体4和中间壳体6之间装有金属密封圈5，壳体12通过孔轴配合和台阶定位安装在中间壳体6上，并通过双头螺柱9和螺母10压紧，壳体12和中间壳体6之间装有金属密封圈11，进气壳体20通过孔轴配合和台阶定位安装在壳体12上，并通过双头螺柱21和螺母22压紧，进气壳体20和壳体12之间装有金属密封圈19，第四级喷嘴环35、第三级喷嘴环33、第二级喷嘴环30、第一级喷嘴环28、进气导流罩18从左往右依次轴向安装在壳体12上，每两者间分别设有定位销14、15、16、17，第四级喷嘴环35与壳体12之间设有定位销13，第一级喷嘴环28与进气导流罩18之间设有金属密封圈23，第四级喷嘴环35、第三级喷嘴环33和第二级喷嘴环30通过螺钉32压紧在壳体12上，第一级喷嘴环28和进气导流罩18通过螺钉27压紧在第二级喷嘴环30上，第四级涡轮盘36、第三级涡轮盘34、第二级涡轮盘31、第一级涡轮盘29从左往右依次轴向安装在高速轴55上以共同组成涡轮盘，并通过拉杆25和锁紧螺母24压紧，拉杆25与第一级涡轮盘29之间设置有金属密封圈26。

拆分环48通过孔轴配合和台阶定位轴向安装在中间壳体6内部，拆分环48和中间壳体6之间设有防转销47，固定环51通过孔轴配合和台阶定位轴向安装在中间壳体6内部，并依靠一圈螺钉53压紧在台阶面6-1上，固定环51对拆分环48轴向限位，防止拆分环48轴向窜动。

冷却方法为：干气密封的主密封气从干气密封壳体4上的第一通道进入，并穿过第二通道，然后依次通过高速轴和拆分环之间的第一间隙73后进入到挡板附近，一路冷却气通过挡板54上一圈排气孔54-1排向壳体12内部的排气流道12-1，另一路冷气经过第二间隙74排向壳体12内部的排气流道12-1，从而可以充分对涡轮机进行冷却，保持支撑组件和转子的强度，提高装置的寿命。

进一步的，所述第二间隙74的横截面积小于所述排气孔54-1的横截面积。

在本实施方式中，一路冷却气通过挡板54上一圈排气孔54-1排向壳体12内部的排气流道12-1，另一路冷气经过挡板54和涡轮盘形成第二间隙74(包括径向间隙66-1和环向间隙66-2)排向壳体12内部的排气流道12-1，由于排气孔54-1的面积大于第二间隙74，小部分冷却气从第二间隙74经过，减小了冷热交替最为剧烈的涡轮盘的冷却程度，从而减小了涡轮盘的温度应力，大部分冷却气从排气孔54-1经过，而挡板54为薄板结构，对冷却剧烈程度敏感度较低，能够承受冷却造成的温度应力。

进一步的，所述支撑组件还包括流量计67和调节阀68，所述流量计67设置在所述第一气道71内，所述调节阀68设置在所述第一气道71处，并与所述流量计67连接。

在本实施方式中，密封气流量通过流量计67进行测量，并反馈信号给调节阀68，以达到自动调节调节阀68的开度，保证流量稳定在设定值。

进一步的，所述静密封组件包括静环保持架38、静环41、推环40和轴向压缩弹簧39，所述静环保持架38具有第一内孔38-1和第二内孔38-2，所述推环40设置在所述第一内孔38-1内，所述轴向压缩弹簧39设置在所述推环40和所述静环保持架38之间，所述静环41设置在所述第二内孔38-2处，并接触所述推环40。

在本实施方式中，干气密封的静环保持架38轴向安装在干气密封壳体4内，两者间有橡胶密封圈58、61，静环保持架38依靠挡环45防止向右窜动，挡环45与中间壳体6之间设有防转销47，静环41紧贴推环40，两者间设有橡胶密封圈59，推环40以较大径向间隙轴向安装在静环保持架38的内孔38-1内，以保证推环40可以轴向移动，两者的间隙依靠可移动橡胶密封圈60进行密封，静环41以较大径向间隙轴向安装在静环保持架38的内孔38-2内，以保证静环41可以轴向移动，推环40和静环保持架38之间设有一圈轴向压缩弹簧39，用于推动推环40和静环41轴向移动，以及平衡静环41和干气密封动环42之间的小间隙气膜动压力，

进一步的，所述动密封组件包括动环保持架43和干气密封动环42，所述干气密封动环42设置在所述静环41的一侧，所述动环保持架43与所述高速轴55固定连接并位于所述干气密封动环42的一侧。

在本实施方式中，固定套65依靠螺钉64把干气密封动环42轴向抵紧在动环保持架43上，干气密封动环42和动环保持架43之间设有橡胶密封圈57，固定套65和干气密封动环保持架43轴向套在高速轴55上，固定套65和高速轴55之间设有防转销63，动环保持架43和高速轴55两者间设有橡胶密封圈59，圆螺母46把动环保持架43和固定套65轴向拧紧在高速轴55上，并依靠垫子调整轴向距离，在工作时，干气密封动环42、动环保持架43、固定套65随高速轴55旋转，干气密封动环42上设有一圈螺旋槽42-1，把密封气泵入槽根部，形成高压气膜，把静环41从干气密封动环42上顶开，形成一个3～5μm厚度的气膜间隙，由于气膜厚度很小，因此泄露量量很小，静止时轴向压缩弹簧39推动推环40把静环41压在干气密封动环42上，防止涡轮机内部气体向外泄露。

进一步的，所述支撑组件还包括挡环45，所述挡环45与所述中间壳体6固定连接，并与所述静环保持架38接触。

在本实施方式中，通过所述挡环45对所述静环保持架38的位置进行限制，从而可以保持所述静环保持架38的稳定性。

进一步的，所述支撑组件还包括迷宫密封49和第二弹簧50，所述迷宫密封49设置在所述拆分环48远离所述动密封组件的一侧，所述第二弹簧50设置在所述迷宫密封49和所述拆分环48之间。

在本实施方式中，迷宫密封49周向均分成三瓣，轴向安装拆分环48和固定环51之间，并依靠第二弹簧50压紧在拆分环48圆柱面48-1和固定环51的圆柱面51-1上，保证密封在运行状态下相对高速轴55具有退让性，不磨损高速轴。

第二方面，请参阅图5，本发明还提供一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法，包括：

S101主密封气从第一气道71进入；

S102主密封气通过流量计67进行测量，并反馈信号给调节阀68；

S103依次沿第一气道71、第二气道72、第一间隙73移动；

S104通过排气孔54-1以及第二间隙74排出。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

包括支撑组件、转子、动密封组件和静密封组件，所述支撑组件包括干气密封壳体、中间壳体、拆分环、挡板和壳体，所述干气密封壳体具有第一气道，所述中间壳体与所述干气密封壳体固定连接，并位于所述干气密封壳体的一侧，所述拆分环与所述中间壳体固定连接，并位于所述中间壳体内，所述挡板具有多个排气孔，所述挡板与所述中间壳体固定连接，并位于远离所述干气密封壳体的一侧，所述转子包括高速轴和涡轮盘，所述高速轴穿过所述支撑组件，所述高速轴与所述拆分环之间形成第一间隙，所述涡轮盘与所述高速轴固定连接，所述涡轮盘和所述挡板之间形成第二间隙，所述静密封组件与所述干气密封壳体固定连接，所述高速轴穿过所述静密封组件，所述动密封组件与所述高速轴固定连接，并与所述静密封组件接触，所述动密封组件和所述静密封组件之间形成第二气道，所述第一气道、所述第二气道、所述第一间隙和所述第二间隙依次连通。

2.如权利要求1所述的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

所述第二间隙的横截面积小于所述排气孔的横截面积。

3.如权利要求1所述的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

所述支撑组件还包括流量计和调节阀，所述流量计设置在所述第一气道内，所述调节阀设置在所述第一气道处，并与所述流量计连接。

4.如权利要求3所述的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

所述静密封组件包括静环保持架、静环、推环和轴向压缩弹簧，所述静环保持架具有第一内孔和第二内孔，所述推环设置在所述第一内孔内，所述轴向压缩弹簧设置在所述推环和所述静环保持架之间，所述静环设置在所述第二内孔处，并接触所述推环。

5.如权利要求4所述的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

所述动密封组件包括动环保持架和干气密封动环，所述干气密封动环设置在所述静环的一侧，所述动环保持架与所述高速轴固定连接并位于所述干气密封动环的一侧。

6.如权利要求5所述的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

所述支撑组件还包括挡环，所述挡环与所述中间壳体固定连接，并与所述静环保持架接触。

7.如权利要求5所述的一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

所述支撑组件还包括迷宫密封和第二弹簧，所述迷宫密封设置在所述拆分环远离所述动密封组件的一侧，所述第二弹簧设置在所述迷宫密封和所述拆分环之间。

8.一种悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法，应用于如权利要求1所述的悬臂式超临界二氧化碳涡轮机结构，其特征在于，

包括：主密封气从第一气道进入；

主密封气依次沿第一气道、第二气道、第一间隙移动；

主密封气通过排气孔以及第二间隙排出。

9.如权利要求8所述的悬臂式超临界二氧化碳涡轮机的冷却方法，其特征在于，

所述主密封气从第一气道进入之后，主密封气依次沿第一气道、第二气道、第一间隙移动之前，所述方法还包括：主密封气通过流量计进行测量，并反馈信号给调节阀。

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