CN115341961A - 一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置、装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置、装配方法，密封装置包括转轴、内轴套、外轴套、动环、静环、防转销、静环座、镶环、波纹管、中空隔冷环套。本发明的干气密封装置能够在低温工况下稳定运行，结构简单，密封性好，安全性高，克服了现有技术中氢气液化低温透平膨胀机的密封效果不理想、不隔热、不安全等缺陷，解决了常规干气密封在低温工况下无法解决的氢气液化低温透平膨胀机的密封和隔热问题，满足密封装置耐低温、耐氢脆性能以及隔热和密封性能的要求，能够有效防止透平膨胀机的跑冷损失和介质气体的泄漏损失，有效提高透平膨胀机的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置、装配方法，属于透平膨胀机的密封技术领域。
背景技术
透平膨胀机是一种低温透平机械，主要为工艺流程提供所需冷量。讨论的氢气液化低温透平膨胀机工作温度为超低温，具体为80K。超低温氢气的泄漏存在安全隐患，且装置的跑冷损失在很大程度上会影响透平膨胀机的效率。为了避免透平膨胀机介质气体轴向泄漏和轴向跑冷损失，以及润滑油进入介质内污染工艺介质，需要采取有效的密封和隔热措施。
透平膨胀机干气密封的密封气常引自膨胀前的原料气，根据常规干气密封对密封气温度的要求，需增设换热设备对低温气源进行持续不断的换热。
干气密封的材料要求具有耐介质的腐蚀、导热性系数高、热膨胀系数小、能承受短时间的干摩擦等良好的综合性能，对于氢气液化透平膨胀机，还需要保证所用材料的耐氢脆性，且低温工况下常规的干气密封中一些性能非常好的密封结构材质如密封橡胶圈会发生严重的老化现象，这些都对干气密封装置的材料性能提出了很高的要求。再者，不同材料的热膨胀系数不同，低温工况材料的热膨胀系数差距会造成密封配合间隙的变化。干气密封装配温度为常温，运行温度为低温，这对密封装置的装配提出了很高的要求。
透平膨胀机的干气密封一般放置于叶轮和轴承之间，轴承工作也有温度限制，低温会对轴承的工作造成影响，且跑冷损失也会影响透平膨胀机的效率。因此有必要设计氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置。
发明内容
本发明提供了一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置、装配方法，以用于构建低温透平膨胀机在氢气液化下所用的干气密封装置。
本发明的技术方案是：一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，包括转轴1、内轴套3、外轴套17、动环6、静环7、防转销8、静环座15、镶环12、波纹管14、中空隔冷环套9；所述内轴套3、外轴套17套设在所述转轴1上，所述外轴套17与所述内轴套3连接、两者配合将所述动环6固定于所述内轴套3上，所述镶环12紧配在所述静环7上且二者固定在所述静环座15上，所述静环7与所述静环座15之间设有防转销8，所述波纹管14一端固定在所述静环座15内孔内、波纹管14另一端固定在所述镶环12上，所述动环6与所述静环7的端面贴合形成密封面，所述动环6与静环7接触的端面均布多个动压槽，所述中空隔冷环套9套设在所述静环座15上，所述静环座15与透平膨胀机壳体10连接。
所述内轴套3与转轴1之间设有轴套密封圈2，动环6与内轴套3之间设有定位销5和动环密封圈4，静环7与镶环12之间设有静环密封圈13，静环座15与透平膨胀机壳体10之间设有静环座密封圈11。
所述轴套密封圈2、动环密封圈4、静环座密封圈11和静环密封圈13均采用非金属与金属复合材料制造的密封圈，材料内层为金属退火紫铜、外层为非金属聚酰亚胺。
所述外轴套17与内轴套3通过螺纹连接，内轴套3的螺纹上缠绕聚四氟乙烯。
所述动环6端面均布开设多个槽深为3～10μm的动压槽。
所述动环6材料为奥氏体304不锈钢；静环7材料为浸渍巴氏合金碳石墨M120B。
所述内轴套3、外轴套17、静环座15、镶环12、静环座15与透平膨胀机壳体10连接的紧固部件的材料均为奥氏体304不锈钢。
所述中空隔冷环套9材料为304不锈钢；所述中空隔冷环套9内填充有酚醛泡沫塑料。
所述波纹管14为316L不锈钢材质的双层波纹管。
一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置的装配方法，包括：
S1、将波纹管14一端固定在静环座15的内孔内、另一端固定在镶环12上；
S2、从静环7尾部套入静环密封圈13，镶环12与静环7直接紧配，再将静环7套入静环座15上，静环7与静环座15之间插入防转销8，固定静环7的位置；
S3、将中空隔冷环套9套设在静环座15上；
S4、在透平膨胀机壳体10的内孔套上静环座密封圈11，将带有静环7、镶环12、静环密封圈13、波纹管14、中空隔冷环套9、防转销8的静环座15套入转轴1上，静环座15紧固于透平膨胀机壳体10上；
S5、在内轴套3与转轴1之间的内孔套上轴套密封圈2、在内轴套3与动环6之间的内孔套上动环密封圈4，转轴1和内轴套3上开有键槽，将平键16插入转轴1的键槽内，再套入内轴套3；插入定位销5，实现动环6与内轴套3的固定安装；外轴套17通过螺纹拧紧至分别与转轴1的台阶、内轴套3和动环6接触。
本发明的有益效果是：本发明的干气密封装置能够在低温工况下稳定运行，结构简单，密封性好，安全性高，克服了现有技术中氢气液化低温透平膨胀机的密封效果不理想、不隔热、不安全等缺陷，解决了常规干气密封在低温工况下无法解决的氢气液化低温透平膨胀机的密封和隔热问题，满足密封装置耐低温、耐氢脆性能以及隔热和密封性能的要求，能够有效防止透平膨胀机的跑冷损失和介质气体的泄漏损失，有效提高透平膨胀机的工作效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的动环端面示意图；
图中各标号为：1-转轴，2-轴套密封圈，3-内轴套，4-动环密封圈，5-定位销，6-动环，7-静环，8-防转销，9-中空隔冷环套，10-透平膨胀机壳体，11-静环座密封圈，12-镶环，13-静环密封圈，14-波纹管，15-静环座，16-平键，17-外轴套。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-2所示，一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，包括转轴1、内轴套3、外轴套17、动环6、静环7、防转销8、静环座15、镶环12、波纹管14、中空隔冷环套9；所述转轴1的长度方向上一侧为轴承侧，另一侧为轮背侧(即以图中示意下，左端为轴承侧、右端为轮背侧)，所述内轴套3、外轴套17套设在所述转轴1上所述内轴套3与转轴1之间通过平键16连接，所述外轴套17与所述内轴套3通过螺纹连接、两者配合将所述动环6固定于所述内轴套3上，所述镶环12紧配在所述静环7上且二者固定在所述静环座15上，所述静环7与所述静环座15之间设有防转销8，所述波纹管14一端焊接固定在所述静环座15内孔内、另一端焊接固定在所述镶环12上(波纹管14为静止式焊接金属波纹管密封，采用金属波纹管代替了弹簧、推环和动态辅助密封圈，波纹管兼作弹性元件和动态辅助密封元件，所以不需要再设计一般推环型弹簧式机械密封的动态辅助密封圈，可以避免因动态辅助密封圈低温脆化和卡滞造成泄漏而引起的密封失效问题)，所述动环6与所述静环7的端面贴合形成密封面，所述动环6与静环7接触的端面均布多个动压槽(如图2中所示的螺旋槽，也可以根据需要采用其它形式的动压槽，如T形槽)，所述中空隔冷环套9套设在所述静环座15上，所述静环座15与透平膨胀机壳体10通过紧固螺钉连接。
可选地，所述内轴套3与转轴1之间设有轴套密封圈2，动环6与内轴套3之间设有定位销5和动环密封圈4，静环7与镶环12之间设有静环密封圈13，静环座15与透平膨胀机壳体10之间设有静环座密封圈11。
可选地，所述轴套密封圈2、动环密封圈4、静环座密封圈11和静环密封圈13均采用非金属与金属复合材料制造的密封圈，材料内层为金属退火紫铜、外层为非金属聚酰亚胺。使温度降低的过程中形变保持一致，不影响密封效果。
可选地，所述外轴套17与内轴套3通过螺纹连接，内轴套3的螺纹上缠绕聚四氟乙烯；以密封所述内轴套和所述外轴套的螺纹连接部分，实现轴套处的密封。
可选地，所述动环6端面均布开设多个槽深为3～10μm的动压槽；如可以为10，12，16个等。进一步地，可以在密封装置轴承侧一面、动环6与静环7外表面均喷涂性能良好的隔冷聚酰亚胺涂层，以减少跑冷损失和低温对轴承工作环境造成的影响。聚酰亚胺可耐极低温，长期使用温度范围是74K～573K。
可选地，所述动环6材料为06Cr19Ni10即奥氏体304不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，使用温度范围是78K～1073K；静环7材料为浸渍巴氏合金碳石墨M120B；具有良好的自润滑性、导热性、低的摩擦系数和热膨胀系数，使用的温度范围是74K～493K。
可选地，所述内轴套3、外轴套17、静环座15、镶环12、静环座15与透平膨胀机壳体10的连接的紧固部件(如螺钉等)的材料均为耐低温的奥氏体304不锈钢。使温度降低的过程中形变保持一致，不影响密封效果。
可选地，所述中空隔冷环套9材料为304不锈钢。
可选地，所述中空隔冷环套9内填充有隔冷酚醛泡沫塑料。其原料来源丰富，价格低廉。低温密封装置与大气接触，会使大气中的水蒸汽冻结在装置表面，增设隔冷环套，起到热绝缘效果，可有效防止水蒸汽冻结，保证工作环境的安全，防止低温损害，也能降低一定的冷量损失。
可选地，所述波纹管14为超低碳奥氏体不锈钢00Cr17Ni14Mo2即316L不锈钢材质的双层焊接金属S型波纹管。采用双层焊接金属波纹管，从而适用透平膨胀机的干气密封的高速高扭矩条件。该波纹管能在21K～773K温度范围内工作。
所述密封装置的密封气引自透平膨胀机入口端经过增压处理的工艺气体，密封气压力高于透平膨胀机工作压力0.05～0.10MPa，密封气温度与工艺气温度相同为80K。其他相似工况下密封气的压力和温度可以根据实际工况进行调整。在设计低温配合时根据热膨胀系数考虑各部件的冷缩变形量。透平膨胀机的工作温度为80K，考虑材料热膨胀系数不同导致尺寸收缩差异所造成的影响，在选材时尽可能的一致，在设计低温配合时根据热膨胀系数考虑各部件的冷缩变形量。上述各材料中，304不锈钢热膨胀系数17.3×10-6/K，316L不锈钢热膨胀系数17.3×10-6/K，聚酰亚胺热膨胀系数为30×10-6/K，退火紫铜热膨胀系数为16.5×10-6/K。另外，浸渍巴氏合金碳石墨M120B热膨胀系数4.9×10-6/K。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置的装配方法，包括：
S1、将波纹管14一端焊接固定在静环座15的内孔内、另一端焊接固定在镶环12上；
S2、从静环7尾部过盈套入静环密封圈13，镶环12与静环7直接紧配，再将静环7套入静环座15上且为间隙配合(镶环12与静环座15为间隙配合)，静环7与静环座15之间插入防转销8，固定静环7的位置，防止静环7随动环6一起转动，套入静环7时注意静环7的防转销槽对准防转销8，防转销8与静环7的防转销槽底部保留1～2mm的间隙(底部即以图1中示意下的下端)，避免顶上静环7；
S3、将中空隔冷环套9过盈套设在静环座15上；
S4、在透平膨胀机壳体10的内孔套上静环座密封圈11，将带有静环7、镶环12、静环密封圈13、波纹管14、中空隔冷环套9、防转销8的静环座15套入转轴1上，静环座15通过紧固螺钉定位并紧固于透平膨胀机壳体10上，静环座15旋至最紧状态；
S5、在内轴套3与转轴1之间的内孔套上轴套密封圈2、在内轴套3与动环6之间的内孔套上动环密封圈4，转轴1和内轴套3上开有键槽，将平键16插入转轴1的键槽内，再套入内轴套3，通过平键16实现内轴套3的轴向位移限制和周向固定；插入定位销5，实现动环6与内轴套3的固定安装；外轴套17通过螺纹拧紧至分别与转轴1的台阶、内轴套3和动环6接触，从而实现外轴套17与内轴套3的紧固连接、内轴套3的轴向定位和周向定位以及动环6的的轴向压紧传动。为了减少泄漏量，安装时需控制与静环接触的动环端面与轴中心线的垂直度在5μm以内，减小动环振摆的振幅值。
S6、静环7在波纹管14的压紧弹力下与动环6的端面贴合形成密封面。
在密封部件的装配面设有静密封装置，防止密封气和介质气的泄露，采用温度作用自紧型密封的方式，以密封件本身的弹性部分自动补偿因冷缩而丧失的接触密封力。在内轴套3与转轴1之间设有轴套密封圈2，动环6与内轴套3之间设有动环密封圈4，静环7与镶环12之间设有静环密封圈13，静环座15与壳体10之间设有静环座密封圈11。密封圈均采用非金属与金属复合材料制造的密封圈，内层为金属退火紫铜、外层为非金属聚酰亚胺，退火紫铜热膨胀系数低于聚酰亚胺，当温度由常温变至低温时，退火紫铜环的径向收缩量低于聚酰亚胺环的径向收缩量，使聚酰亚胺环在原有的压缩量基础上又降低了压缩，从而提高了接触应力。静环座15与壳体10的螺钉连接也为静密封，旋至最紧状态，使螺钉在低温下冷缩后的总应力大于所需的密封力，以保证低温密封性能。进一步地，在内轴套3的螺纹上缠绕聚四氟乙烯，以密封内轴套3和外轴套17的螺纹连接部分，实现两轴套处的密封。
静环座15和镶环12与静环7的线膨胀系数相差较大，运行工况下静环座15和镶环12的冷缩量大于静环7的冷缩量，故在满足密封性能的情况下，静环7与静环座15的配合间隙取最大值、静环7与镶环12直接紧配的过盈量取最小值，防止运行工况下静环座15和镶环12由于冷缩对静环产生过度挤压造成过度变形或者碎裂，导致密封失效。
运行时，干气密封装置右端为透平膨胀机叶轮，左端为轴承。从叶轮侧泄露的介质氢气与密封气进入密封腔室，动环端面开设的动压槽在动环旋转时将气体导入动静环密封端面间，推开密封面形成3μm左右的气膜，同时形成稳定的、略高于介质气的密封压力，阻止了介质气向轴承侧的泄漏。为了不对密封介质氢气造成污染，密封气引自透平膨胀机入口端经过增压处理的工艺气体，密封气压力高于透平膨胀机工作压力0.05～0.10MPa，密封气温度与介质氢气温度相同为80K，其他相似工况下密封气的压力和温度可以根据实际工况进行调整。
本发明是针对低温透平膨胀机的密封技术，优化低温干气密封的结构和材料，使密封装置能够在低温工况下稳定运行，满足耐低温、耐氢脆性能以及隔热和密封性能的要求，防止氢气液化低温透平膨胀机的跑冷损失和介质气体的泄漏损失，提高透平膨胀机的工作效率。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：包括转轴(1)、内轴套(3)、外轴套(17)、动环(6)、静环(7)、防转销(8)、静环座(15)、镶环(12)、波纹管(14)、中空隔冷环套(9)；所述内轴套(3)、外轴套(17)套设在所述转轴(1)上，所述外轴套(17)与所述内轴套(3)连接、两者配合将所述动环(6)固定于所述内轴套(3)上，所述镶环(12)紧配在所述静环(7)上且二者固定在所述静环座(15)上，所述静环(7)与所述静环座(15)之间设有防转销(8)，所述波纹管(14)一端固定在所述静环座(15)内孔内、波纹管(14)另一端固定在所述镶环(12)上，所述动环(6)与所述静环(7)的端面贴合形成密封面，所述动环(6)与静环(7)接触的端面均布多个动压槽，所述中空隔冷环套(9)套设在所述静环座(15)上，所述静环座(15)与透平膨胀机壳体(10)连接。
2.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述内轴套(3)与转轴(1)之间设有轴套密封圈(2)，动环(6)与内轴套(3)之间设有定位销(5)和动环密封圈(4)，静环(7)与镶环(12)之间设有静环密封圈(13)，静环座(15)与透平膨胀机壳体(10)之间设有静环座密封圈(11)。
3.根据权利要求2所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述轴套密封圈(2)、动环密封圈(4)、静环座密封圈(11)和静环密封圈(13)均采用非金属与金属复合材料制造的密封圈，材料内层为金属退火紫铜、外层为非金属聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述外轴套(17)与内轴套(3)通过螺纹连接，内轴套(3)的螺纹上缠绕聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述动环(6)端面均布开设多个槽深为3～10μm的动压槽。
6.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述动环(6)材料为奥氏体304不锈钢；静环(7)材料为浸渍巴氏合金碳石墨M120B。
7.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述内轴套(3)、外轴套(17)、静环座(15)、镶环(12)、静环座(15)与透平膨胀机壳体(10)连接的紧固部件的材料均为奥氏体304不锈钢。
8.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述中空隔冷环套(9)材料为304不锈钢；所述中空隔冷环套(9)内填充有酚醛泡沫塑料。
9.根据权利要求1所述的氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置，其特征在于：所述波纹管(14)为316L不锈钢材质的双层波纹管。
10.一种氢气液化低温透平膨胀机用干气密封装置的装配方法，其特征在于：包括：
S1、将波纹管(14)一端固定在静环座(15)的内孔内、另一端固定在镶环(12)上；
S2、从静环(7)尾部套入静环密封圈(13)，镶环(12)与静环(7)直接紧配，再将静环(7)套入静环座(15)上，静环(7)与静环座(15)之间插入防转销(8)，固定静环(7)的位置；
S3、将中空隔冷环套(9)套设在静环座(15)上；
S4、在透平膨胀机壳体(10)的内孔套上静环座密封圈(11)，将带有静环(7)、镶环(12)、静环密封圈(13)、波纹管(14)、中空隔冷环套(9)、防转销(8)的静环座(15)套入转轴(1)上，静环座(15)紧固于透平膨胀机壳体(10)上；
S5、在内轴套(3)与转轴(1)之间的内孔套上轴套密封圈(2)、在内轴套(3)与动环(6)之间的内孔套上动环密封圈(4)，转轴(1)和内轴套(3)上开有键槽，将平键(16)插入转轴(1)的键槽内，再套入内轴套(3)；插入定位销(5)，实现动环(6)与内轴套(3)的固定安装；外轴套(17)通过螺纹拧紧至分别与转轴(1)的台阶、内轴套(3)和动环(6)接触。
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