CN114278394B - 一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，产生密封作用的部件主要包含左右双侧螺纹、缸壁外环及二氧化碳侧的迷宫密封结构，实现了对透平内二氧化碳工质的非接触式密封。密封系统运行时，密封油从进油口进入，旋转主轴高速旋转与左右双侧螺纹共同作用挤压密封油，在旋转主轴与气缸间形成油膜，分别与透平内二氧化碳和外侧空气平衡，密封作用得以实现。同时密封油从回油口流出，剩余溢出密封油由集油环甩至回油槽内，外侧挡油板防止密封油绕过集油环造成污染。本发明结构简单、占据空间小，且不影响转轴强度，解决了现有以二氧化碳为工质的透平机械密封结构密封效果不佳的问题。

Description

一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构

技术领域

本发明属于透平机械密封技术领域，特别涉及一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构。

背景技术

透平机械能够将流经其叶片间通道的流体动能转化为可输出的机械能，广泛应用于电力供应与机械设备的驱动。透平机械的工质可以是气体，如空气、水蒸气、二氧化碳等；也可以是液体，如水、油等。近些年来环境保护和能源资源问题被广泛关注，二氧化碳由于其特殊的物性被研究用于替代传统透平机械工质，并已然成为能源领域热门的研究方向。

虽然二氧化碳循环工质的总压及总温通常小于常用的水蒸气循环工质，但其压力仍远高于外界环境大气压，如果密封不当会产生严重的漏气损失。传统的密封方式可分为接触式密封及非接触式密封。接触式密封顾名思义通过两端面贴合防止流体泄露，而非接触式密封需要在密封副表面形成密封层防止工质泄露。常用的密封结构包括迷宫式密封、刷式密封、蜂窝密封、碳晶环密封等。传统的密封方式已经无法满足现有透平机械在高流量、高转速、高温高压方面的要求，漏气损失在整体能量损失中占到很大的比重。在高速旋转做功的透平机械中，旋转主轴与气缸缸体间需要留有空隙防止转轴受到磨损伤害，使得非接触式旋转密封技术的研究与发展有着非常重要的意义。

现有以二氧化碳为工质的透平机械通常采用非接触式干气密封结构密封高压高温介质，通过挤压工质气体形成转轴与缸体间的气膜达到密封效果，但这种干气式密封仍存在漏气的现象。这对于透平机械的非接触式密封结构设计提出了更高的要求。

发明内容

针对透平机械工质泄露问题，本发明提供了一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，保证运行时透平内气密性不发生改变，有效减少气缸与主轴之间的漏气量，防止泄露出工质对环境带来的危害，提升透平机械的工作效率及可靠性。并且此油密封结构简单、性能可靠、占据空间小，对透平内工质与外界环境间不同的压力差均可以实现有效密封，解决了现有密封结构密封不严，仍发生工质泄漏的问题。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，包括旋转主轴，以及自空气侧至CO₂侧套装在旋转主轴上的缸壁外环和透平缸体；

远离空气侧的缸壁外环与旋转主轴之间依次形成有左回油槽、径向空隙和右回油槽，径向空隙两侧的缸壁外环上分别设置有左侧螺纹和右侧螺纹，径向空隙的周向上分别设置有回油口和进油口，左回油槽和右回油槽内的旋转主轴上套装有集油环，且两侧集油环的外侧的缸壁外环上设置有挡油板；

靠近CO₂侧的旋转主轴上套装有密封套筒，其与设置在透平缸体上的迷宫密封配合使用。

本发明进一步的改进在于，回油口和进油口呈180°周向布置。

本发明进一步的改进在于，回油口上设置有泄压阀。

本发明进一步的改进在于，左侧螺纹和右侧螺纹旋向相反。

本发明进一步的改进在于，集油环总体高度为螺纹外径的两倍以上。

本发明进一步的改进在于，集油环在靠近螺纹的一侧设置有阶梯。

本发明进一步的改进在于，挡油板与旋转主轴之间的间隙小于螺纹外径。

本发明进一步的改进在于，迷宫密封上排列2个环形薄密封片，配合旋转主轴上齿形的密封套筒实现密封作用，两者的径向间隙足够小。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明提供一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，主要应用于透平气缸与旋转主轴间的密封。实现密封作用的主要部件包括双侧螺纹、转轴及透平缸体，整体结构简单且在实际运行中可以起到良好的密封效果，保证气缸内部气密性，防止工质外泄。

2、本发明提供一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，当主轴旋转时密封系统运行，螺纹结构使得密封油在间隙中形成油膜分别与二氧化碳和空气平衡，达到密封效果。当密封系统停止运行时，关闭泄压阀，螺纹间密封油由回油槽回收。

3、本发明提供一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，回油口上布置的泄压阀可进行调节，调整螺纹间密封油的压力。保证密封油在透平内二氧化碳和外界空气不同的压力条件下均可分别保持平衡。

4、本发明提供一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，起到密封作用的密封油可以通过回油阀及回油槽等结构回收，达到循环利用的效果。并且在双侧螺纹外侧布置集油环及挡油板，防止密封油进入透平内部或外界环境，造成污染。

5、本发明提供一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，进行密封作用的螺纹结构可以加工到缸壁外环上，也可以加工成轴套套于主轴上，达到的密封效果相同。两种不同的螺纹布置方式均不影响转子的强度，在其磨损后也方便更换，降低使用成本。

6、本发明提供一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，相较于传统迷宫密封结构需要占据大量轴向空间的缺点，油密封结构紧凑，占用空间小。可以使得以二氧化碳为工质的透平机械整体结构紧凑、体积小，便于在不同的场景环境下使用。

附图说明

图1为本发明一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封整体结构示意图。

附图标记说明：

1-空气侧，2-旋转主轴，3-缸壁外环，4-左侧螺纹，5-回油口，6-泄压阀，7-右侧螺纹，8-集油环，9-挡油板，10-迷宫密封，11-密封套筒，12-左回油槽，13-进油口，14-右回油槽，15-透平缸体，16-CO₂侧。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

请参阅图1，本发明提供的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构整体结构示意图，包括实现密封作用的主要结构：旋转主轴2、缸壁外环3、左侧螺纹4、回油口5、右侧螺纹7和进油口13，密封油回收结构：泄压阀6、集油环8、挡油板9、左回油槽12、右回油槽14，以及迷宫密封10、密封套筒11和透平缸体15。

请参阅图1，本发明提供的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其中迷宫密封10与固定于旋转主轴2上的密封套筒11用于在透平的旋转主轴低速旋转或静止时阻止透平内二氧化碳工质向外界空气环境泄露。在本实施方式中，左侧螺纹4和右侧螺纹7被加工到缸壁外环3上，此种情况下径向空隙主要出现在旋转主轴与缸壁外环3上的螺纹结构之间。在透平运行时旋转主轴2高速旋转，同时密封油从进油口13进入旋转主轴2与缸壁外环3之间的径向空隙，密封系统开始运行。此时靠近CO₂侧16的迷宫密封10作为第一道密封结构，用于部分阻隔透平内二氧化碳与外界空气发生流动交换。作为油密封主要结构的左侧螺纹4和右侧螺纹7旋向相反，旋转主轴带动左侧处密封油旋转，与左侧螺纹4上旋线相互作用形成保持在螺纹与旋转主轴间隙的油膜，并与外界空气和进出油通道间的密封油保持压力平衡；旋转轴带动右侧处密封油旋转，同样形成油膜并与透平内二氧化碳和进出油通道间的密封油保持压力平衡。由于进出油口间通道及螺纹与主轴间隙均充满密封油，可以有效阻止外界空气与透平内二氧化碳轴向流动，实现完全密封效果。

密封系统运行时，密封油不断从进油口13流入。大部分密封油从回油口5和泄压阀6回收至密封油储存装置，其余溢出密封油由于深入螺纹结构无法由回油口回收，于是继续轴向流至螺纹外侧集油环8。集油环8随着转轴旋转将密封油甩入左回油槽12及右回油槽14。为保证集油环能够充分将螺纹间溢出密封油回收，集油环8总体高度需达到螺纹外径的两倍以上，并在靠近螺纹的一侧设置阶梯，保证绝大部分溢出密封油能被甩至回油槽回收。在两侧集油环外加设挡油板9，防止集油环8将密封油甩溅至迷宫密封结构及空气侧，同时避免少量溢出密封油绕过集油环继续沿轴向向两侧流动。挡油板9与旋转主轴2间的间隙应小于螺纹外径，尽可能防止密封油流出，同时增强回油槽对密封油的回收效果。

当透平的旋转主轴2静止时，关闭泄压阀6，由进油口13输入稍微具有正压的油，通过左侧螺纹4和右侧螺纹7与主轴间隙流至左回油槽12及右回油槽14，完成密封油的回收过程，同时达到密封气体的作用。

布置于回油口5的泄压阀6可根据压力变化手动调节，在不同的压力条件下均可实现密封效果。并且可根据不同工况及透平气缸摆放位置合理改变泄压阀的数量及布置方式，改善密封油回收效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围不局限于上述较佳的具体实施方式。对于本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下根据本发明技术方式做出的改进、修饰或其他实施例等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其特征在于，包括旋转主轴(2)，以及自空气侧(1)至CO₂侧(16)套装在旋转主轴(2)上的缸壁外环(3)和透平缸体(15)；

远离空气侧(1)的缸壁外环(3)与旋转主轴(2)之间依次形成有左回油槽(12)、径向空隙和右回油槽(14)，径向空隙两侧的缸壁外环(3)上分别设置有左侧螺纹(4)和右侧螺纹(7)，径向空隙的周向上分别设置有回油口(5)和进油口(13)，左回油槽(12)和右回油槽(14)内的旋转主轴(2)上套装有集油环(8)，且两侧集油环(8)的外侧的缸壁外环(3)上设置有挡油板(9)；

靠近CO₂侧(16)的旋转主轴(2)上套装有密封套筒(11)，其与设置在透平缸体(15)上的迷宫密封(10)配合使用；

回油口(5)上设置有泄压阀(6)；

左侧螺纹(4)和右侧螺纹(7)旋向相反。

2.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其特征在于，回油口(5)和进油口(13)呈180°周向布置。

3.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其特征在于，集油环(8)总体高度为螺纹外径的两倍以上。

4.根据权利要求3所述的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其特征在于，集油环(8)在靠近螺纹的一侧设置有阶梯。

5.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其特征在于，挡油板(9)与旋转主轴(2)之间的间隙小于螺纹外径。

6.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的透平机械油密封结构，其特征在于，迷宫密封(10)上排列2个环形薄密封片，配合旋转主轴(2)上齿形的密封套筒(11)实现密封作用，两者的径向间隙足够小。

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